WO2015108327A1 - 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치 - Google Patents

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WO2015108327A1
WO2015108327A1 PCT/KR2015/000368 KR2015000368W WO2015108327A1 WO 2015108327 A1 WO2015108327 A1 WO 2015108327A1 KR 2015000368 W KR2015000368 W KR 2015000368W WO 2015108327 A1 WO2015108327 A1 WO 2015108327A1
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WO
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optical system
image
light
reflective
refractive
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PCT/KR2015/000368
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English (en)
French (fr)
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최종철
이진원
정종삼
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삼성전자 주식회사
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/10—Bifocal lenses; Multifocal lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0836—Catadioptric systems using more than three curved mirrors
    • G02B17/084—Catadioptric systems using more than three curved mirrors on-axis systems with at least one of the mirrors having a central aperture

Definitions

  • the disclosed embodiments relate to a bifocal lens having two focal lengths and an imaging device including the same, and more particularly, to a thin focal lens having two focal lengths so that short distance shooting and long distance shooting can be made and An imaging device is included.
  • compact cameras and cameras for mobile devices In addition to compact cameras and cameras for mobile devices, mirrorless cameras and single-lens reflex cameras are also becoming smaller. Accordingly, development of compact camera lenses is required. Until now, most small camera lenses have been designed as short throw lenses. However, the short throw lens has a fixed angle of view, which makes it difficult to shoot with various effects. In particular, compact cameras or cameras for mobile devices are generally designed for near field shooting, and thus may not be suitable for long distance shooting.
  • a multifocal lens having a plurality of focal lengths or a zoom lens having a variable focal length is frequently used.
  • the zoom lens used in the compact camera is generally composed of a plurality of lenses of six or more, it causes the camera to be long and heavy.
  • various short-focal lenses with different focal lengths can be used interchangeably, but long-focal lenses for long distance shooting still have a long and large shape, and the inconvenience of having to change lenses is required. have.
  • cameras for mobile devices are so small that it is difficult to use zoom lenses.
  • a separate additional lens may be attached to the outside of the camera for the mobile device by using an adapter for remote shooting, but the size of the mobile device also increases.
  • a lens incorporating two optical systems having different focal lengths has been proposed, but in this case, two image sensors are required, which increases the manufacturing cost and size of the camera.
  • a bifocal lens having two focal lengths to enable short-range photographing and long-range photographing, and a thin focal lens and an imaging device including the same.
  • a bifocal lens includes a refractive optical system having at least one refractive lens element and having a first focal length; And a reflective optical system having a plurality of reflective surfaces and having a second focal length different from the first focal length.
  • the refractive optical system has a first image plane
  • the reflective optical system has a second image surface
  • both the refractive optical system and the reflective optical system are disposed on the object side with respect to the first and second image surfaces.
  • the refractive optical system and the reflective optical system may be disposed about one common optical axis.
  • the refractive optical system is disposed on an object side and the reflective optical system is disposed on an image side, and a central portion of the reflective optical system is disposed in a first light incident region and a first light incident region to which light from the refractive optical system is incident. It may include a light emission area for emitting the incident light to the upper side.
  • the bifocal lens is disposed on an image side with respect to the refractive optical system and the reflective optical system, focuses light from the refractive optical system on a first image surface and focuses light from the reflective optical system on a second image surface. At least one common lens element may be further included.
  • the at least one common lens element may be configured to be movable in an optical axis direction or a direction perpendicular to the optical axis.
  • the refractive optical system includes a meniscus lens and a biconvex lens having negative refractive power in which the object side is concave and the image side is convex, from the object side to the image direction. It may comprise a meniscus lens having a negative refractive power concave and convex image.
  • the refractive optical system includes a meniscus lens and a biconvex lens having negative refractive power that is convex on the object side and concave on the image side from the object side to the image side, and the common lens element is the object side.
  • the first meniscus lens having a positive refractive power in which the object side is concave and the image side is convex
  • the second meniscus lens having a positive refractive power in which the object side is concave and the image side is convex
  • the object side is concave.
  • it may include a third meniscus lens having a negative refractive power convex image.
  • Positions on the optical axis of the first upper surface and the second upper surface may be the same.
  • positions of the first upper surface and the second upper surface on the optical axis may be different from each other.
  • the reflective optical system may have a folding structure in which a propagation path of light is bent a plurality of times between the plurality of reflective surfaces.
  • the reflective optical system includes a second light incident region formed in an annular shape along a circumference of the reflective optical system, and the plurality of reflecting surfaces emit light incident through the second light incident region to the light output region. May be arranged to face each other optically.
  • the plurality of reflecting surfaces have an annular shape around the optical axis, and a radius from the optical axis of the plurality of reflecting surfaces gradually decreases along a traveling direction of light incident through the second light incident region. Can lose.
  • the bifocal lens may include: a first coating layer disposed in the first light incident region and configured to transmit light of a first wavelength band and block light of another wavelength band; And a second coating layer disposed on at least one reflective surface of the plurality of reflective surfaces and reflecting light of a second wavelength band different from the first wavelength band and absorbing or transmitting light of a different wavelength band. It may include.
  • one of the first and second wavelength bands may be a visible light region and the other may be an infrared region.
  • the bifocal lens may further include a transparent substrate on which the plurality of reflective surfaces are fixed.
  • the first light incident region, the second light incident region, and the light emitting region may be formed on the surface of the transparent substrate.
  • the surface area of the transparent substrate corresponding to the first light incident area and the light exit area may be a curved surface.
  • the plurality of reflecting surfaces may be curved, and surface regions of the transparent substrate on which the plurality of reflecting surfaces are fixed may have shapes corresponding to the curved surfaces of the corresponding reflecting surfaces.
  • the transparent substrate may have a first surface and a second surface that face in parallel to each other.
  • the bifocal lens may further include a first shutter for transmitting or blocking light incident to the refractive optical system and a second shutter for transmitting or blocking light incident to the reflective optical system.
  • the first shutter and the second shutter may optionally be configured such that either one transmits light and the other blocks light.
  • At least one of the first shutter and the second shutter may be divided into at least two segments driven independently along the circumferential direction.
  • the second focal length may be longer than the first focal length.
  • the bifocal lens may further include at least one light source disposed in a space surrounding the refractive optical system.
  • an imaging apparatus includes a bifocal lens having the above-described structures; And an image sensor disposed on an image side of the bifocal lens.
  • the image sensor may be divided into at least two independent segments.
  • the positions on the optical axis of the first and second upper surfaces are different from each other, and the image sensor is configured to move to the first upper surface during imaging with the refractive optical system and to move to the second upper surface during imaging with the reflective optical system. Can be.
  • the image sensor may be configured to be movable in an optical axis direction or a direction perpendicular to the optical axis.
  • At least one of the refractive optical system and the reflective optical system may be configured to have a zoom function.
  • the refractive optical system may be configured to generate a first image at a first magnification
  • the reflective optical system may be configured to generate a second image at a second magnification greater than the first magnification
  • the imaging device synthesizes the first image and the second image in a manner of cropping and enlarging the first image and reducing the second image, thereby obtaining a third image having a magnification between a first magnification and a second magnification. It can be configured to generate.
  • the bifocal lens according to the disclosed embodiment may include a refractive optical system having at least one refractive lens element and a reflective optical system having a plurality of reflective surfaces. Since the refractive optical system and the reflective optical system have different focal lengths, the bifocal lens according to the present embodiment can enable both short-range and far-field imaging. For example, a refractive optical system having a short focal length may be used for near field photography, and a reflective optical system having a long focal length may be used for far field photography.
  • the reflective optical system has a foldable structure in which a propagation path of light is bent a plurality of times between a plurality of reflective surfaces, the length in the optical axis direction can be shortened. Therefore, the bifocal lens according to the present embodiment can be manufactured in a thin shape while having two different focal lengths.
  • the imaging device employing the bifocal lens according to the present embodiment is one image. It is possible to use only sensors.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a bifocal lens and an image capturing apparatus including the same according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged partial cross-sectional view of a central portion of a refractive optical system and a reflective optical system adjacent to the bifocal lens shown in FIG. 1.
  • 3 exemplarily shows transmission characteristics for each wavelength of the transmission coating layer disposed in the light transmission region of the reflective optical system.
  • FIG. 5 shows a case where the shutter of the refractive optical system of the bifocal lens is opened and the shutter of the reflective optical system is closed.
  • FIG. 6 exemplarily shows a path of light incident on a bifocal lens in the case of FIG. 5.
  • FIG. 7 shows a case where the shutter of the refractive optical system of the bifocal lens is closed and the shutter of the reflective optical system is opened.
  • FIG. 8 exemplarily shows a path of light incident on a bifocal lens in the case of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a bifocal lens and an image capturing apparatus including the same according to another exemplary embodiment.
  • 10A to 10D exemplarily illustrate configurations of various segmented image sensors.
  • 11A to 11E illustrate various examples of operations of the shutter.
  • FIG. 12 is a table showing specific optical data of the refractive optical system of the bifocal lens according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a table showing aspherical surface coefficient values for the aspherical surface of the refractive optical system of the bifocal lens according to Example 1.
  • FIG. 14 is a table showing specific optical data of the reflective optical system of the bifocal lens according to the first embodiment.
  • FIG. 15 is a table showing aspherical surface coefficient values of the aspherical surface of the reflective optical system of the bifocal lens according to Example 1.
  • FIG. 15 is a table showing aspherical surface coefficient values of the aspherical surface of the reflective optical system of the bifocal lens according to Example 1.
  • 16 is a table showing diameters of a plurality of reflective surfaces of the reflective optical system of the bifocal lens according to the first embodiment.
  • 17 is a sectional views schematically showing the configuration of a bifocal lens according to the second embodiment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing a configuration of a refractive optical system of a bifocal lens according to the second embodiment.
  • 19 is a table showing specific optical data of the refractive optical system of the bifocal lens according to the second embodiment.
  • FIG. 20 is a table showing aspherical surface coefficient values for the aspherical surface of the refractive optical system of the bifocal lens according to Example 2.
  • FIG. 20 is a table showing aspherical surface coefficient values for the aspherical surface of the refractive optical system of the bifocal lens according to Example 2.
  • 21 is a cross-sectional view showing a configuration of a reflective optical system of a bifocal lens according to the second embodiment.
  • 22 is a table showing specific optical data of the reflective optical system of the bifocal lens according to the second embodiment.
  • Fig. 23 is a table showing aspherical surface coefficient values for aspherical surfaces of the reflective optical system of the bifocal lens according to the second embodiment.
  • 24 is a table showing a diameter of a plurality of reflective surfaces of the reflective optical system of the bifocal lens according to the second embodiment.
  • 25 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a bifocal lens and an imaging apparatus including the same according to another example.
  • 26 and 27 are conceptual views schematically illustrating a principle of implementing the digital zoom function by using two images obtained from the refractive optical system and the reflective optical system of the bifocal lens, respectively.
  • the bifocal lens 100 includes a refractive optical system 110 having a first focal length and a reflective optical system 120 having a second focal length different from the first focal length. It may include.
  • the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120 may have a first upper surface IP1 and a second upper surface IP2, respectively.
  • the positions on the optical axis OX of the first upper surface IP1 and the second upper surface IP2 are not coincident with each other, but the design of the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120 is illustrated. In some cases, the positions on the optical axis OX of the first upper surface IP1 and the second upper surface IP2 may coincide with each other.
  • the bifocal lens 100 may further include at least one common lens element 130 commonly used by the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120.
  • the first focal length of the refractive optical system 110 is formed by the action of the refractive optical system 110 and the common lens element 130, and is reflected by the action of the reflective optical system 120 and the common lens element 130.
  • a second focal length of the type optical system 120 is formed.
  • the common lens element 130 may be disposed at an image side with respect to the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120. Although one common lens element 130 is illustrated in FIG. 1 by way of example, two or more common lens elements 130 may be used depending on a design.
  • the common lens element 130 may be configured to focus light from the refractive optical system 110 on the first image surface IP1 and to focus light from the reflective optical system 120 on the second image surface IP2. Can be.
  • the imaging device may include the bifocal lens 100 and an image sensor 140 disposed on one of the first image surface IP1 and the second image surface IP2.
  • the image sensor 140 may be, for example, a charge-coupled device (CCD) or a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • a cover layer 141 may be further disposed on the light incident surface of the image sensor 140 to protect the color filters and the pixels of the image sensor 140.
  • both the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120 may be disposed on an object side with respect to the first and second upper surfaces IP1 and IP2. That is, the first upper surface IP1 of the refractive optical system 110 and the second upper surface IP2 of the reflective optical system 120 may be disposed in the same direction with respect to the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120. Can be. Accordingly, since the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120 can form an image in one and the same image sensor 140, the imaging device is applied to two optical systems 110 and 120 having different focal lengths. Instead of having separate image sensors for each, only one image sensor 140 can take images of different angles of view.
  • the refractive optical system 110 may include at least one refractive lens element 111 or 112 arranged along the optical axis OX. Although two refractive lens elements 111 and 112 are shown in FIG. 1, the refractive optical system 110 may include only one refractive lens element or three or more refractive lens elements, depending on the design. When using the plurality of refractive lens elements 111 and 112, the refractive lens elements 111 and 112 may be made of materials having different refractive indices in order to suppress chromatic aberration of the bifocal lens 100.
  • a first shutter 119 may be disposed in the optical path of the refractive optical system 110 to transmit or block light incident toward the refractive optical system 110.
  • FIG. 1 illustrates that the first shutter 119 is disposed in front of the refractive optical system 110, the position of the first shutter 119 is not limited thereto.
  • the first shutter 119 may be disposed between the first lens element 111 and the second lens element 112 or between the second lens element 112 and the reflective optical system 120.
  • the reflective optical system 120 may be disposed along the same optical axis OX as the refractive optical system 110. That is, the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120 may be disposed around one common optical axis OX. For example, as shown in FIG. 1, the refractive optical system 110 is disposed close to the object side on the optical axis OX and the reflective optical system 120 is positioned on the image side at the optical axis OX. Can be placed close together. Therefore, the refractive optical system 110 may be disposed in the front and the reflective optical system 120 may be disposed in the rear from the object side.
  • the reflective optical system 120 includes light incident on the first light incident region 125 and the first light incident region 125 to which light from the refractive optical system 110 is incident.
  • a light exit area 127 to be emitted, a second light incident area 126 formed in an annular shape along the circumference of the reflective optical system 120, and between the first light incident area 125 and the second light incident area 126 At may include a plurality of reflecting surfaces 121, 122, 123, 124 arranged along the radial direction about the optical axis (OX).
  • the first light incident region 125 and the light emission region 127 may be disposed to face each other at the center of the reflective optical system 120.
  • the first light incident region 125 is a region where light formed by the refractive optical system 110 is incident, and the second light incident region 126 is incident on light formed by the reflective optical system 120. It is an area to do. Both the light incident through the first light incident region 125 and the light incident through the second light incident region 126 may exit upward through the light emission region 127.
  • the plurality of reflective surfaces 121, 122, 123, and 124 of the reflective optical system 120 optically face each other to emit light incident through the second light incident region 126 to the light exit region 127.
  • the optically disposed to face each other does not mean that the plurality of reflective surfaces 121, 122, 123, and 124 are physically disposed to face each other, but the light reflected from one reflective surface is the other half. It is arranged to proceed to the slope. For example, light incident on the second light incident region 126 is reflected by the first reflective surface 121 to the second reflective surface 122. Thereafter, light is reflected by the second reflecting surface 122 to the third reflecting surface 123 and then by the third reflecting surface 123 to the fourth reflecting surface 124.
  • the light reflected from the fourth reflective surface 124 proceeds upward through the light emission region 127.
  • the number of reflective surfaces 121, 122, 123, and 124 is not necessarily limited to four in this embodiment, and at least two or more reflective surfaces 121, 122, 123, and 124 may be used according to design. .
  • the plurality of reflective surfaces 121, 122, 123, and 124 may have an annular shape centering on the optical axis OX.
  • a plurality of reflecting surfaces 121, 122, 123, and 124 are arranged from the optical axis OX in order along the traveling direction of the light incident through the second light incident region 126.
  • the radius can be made smaller.
  • the radius from the optical axis OX may have the largest first reflecting surface 121 and the smallest fourth reflecting surface 124.
  • the reflective optical system 120 of the bifocal lens 100 has a plurality of light propagation paths between the plurality of reflective surfaces 121, 122, 123, and 124. It may have a folded optics structure. According to this foldable optical structure, by extending the optical path using a plurality of reflective surfaces 121, 122, 123, 124, the thickness of the reflective optical system 120 irrespective of the focal length of the reflective optical system 120 ( Alternatively, the length in the optical axis OX direction can be significantly reduced.
  • the bifocal lens 100 when the second focal length of the reflective optical system 120 is selected to be longer than the first focal length of the refractive optical system 110, the bifocal lens 100 has two different focal lengths and is thinly manufactured. It is possible.
  • the bifocal lens 100 according to the present exemplary embodiment may perform near and far imaging. You can make it all possible.
  • the refractive optical system 110 having a short focal length may be used for near field imaging (wide angle)
  • the reflective optical system 120 having a long focal length may be used for far field imaging (telephoto).
  • magnification between the wide-angle end of the refractive optical system 110 and the telephoto end of the reflective optical system 120 is secured by digital zoom through an image signal processing unit (not shown) of the imaging device, the continuous from the wide-angle end to the telephoto end You can also get a zoom effect.
  • the plurality of reflecting surfaces 121, 122, 123, 124 may be assembled and fixed separately in the interior of the imaging device, but in this case the assembly process can be complicated and the respective reflecting surfaces 121, 122, 123, 124 It may take a lot of time to locate them correctly. Accordingly, the plurality of reflective surfaces 121, 122, 123, and 124 may be fixed to one transparent substrate 128 and then disposed inside the imaging device.
  • the transparent substrate 128 may be made of, for example, glass or a transparent plastic material such as polymethylmethacrylate (PMMA).
  • the refractive index of the transparent substrate 128 and the refractive index of the common lens element 130 may be selected differently.
  • the transparent substrate 128 may be PMMA and the common lens element 130 may be a glass material having a different refractive index than that of the PMMA.
  • the first light incident region 125, the second light incident region 126, and the light emitting region 127 are provided. May be formed on the surface of the transparent substrate 128.
  • the transparent substrate 128 may have a complicated shape.
  • the surface areas of the transparent substrate 128 on which the plurality of reflecting surfaces 121, 122, 123, and 124 are fixed are respectively arranged. It may have a shape corresponding to the curved surface of the corresponding reflecting surface (121, 122, 123, 124).
  • the plurality of reflective surfaces 121, 122, 123, 124 may be reflective coatings respectively coated on corresponding surface regions of the transparent substrate 128.
  • the surface area of the transparent substrate 128 corresponding to the first light incident region 125 and the light emission region 127 is formed. It may be a curved surface having refractive power.
  • the surface area of the transparent substrate 128 corresponding to the second light incidence region 126 is shown in FIG. 1, the surface area of the transparent substrate 128 corresponding to the second light incidence region 126 is illustrated. It may also be formed into a curved surface having refractive power.
  • the bifocal lens 100 may further include a second shutter 129 that transmits or blocks light incident on the reflective optical system 120.
  • the second shutter 129 may be disposed to face the second light incident area 126, for example.
  • the first shutter 119 that transmits or blocks light incident to the refractive optical system 110 and the second shutter 129 that transmits or blocks light incident to the reflective optical system 120 are on each other on the optical axis OX. It may be arranged in other positions, but may be arranged on the same plane. When the first shutter 119 and the second shutter 129 are disposed on the same plane, the first shutter 119 and the second shutter 129 may be formed together on one substrate.
  • the first and second shutters 119 and 129 may optionally be configured such that either one transmits light and the other blocks light as needed.
  • the second shutter 129 may be closed while the first shutter 119 is opened, and conversely, the first shutter 119 may be closed while the second shutter 129 is opened.
  • the first and second shutters 119 and 129 may be opened or closed using, for example, a mechanical shutter that is mechanically opened or closed, an electric shutter that is opened or closed using polarization or liquid crystal, or an electrostatically driven impermeable ink film.
  • Various kinds of shutters, such as shutters can be used.
  • FIG. 2 is an enlarged partial cross-sectional view of a central portion of the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120 adjacent to the bifocal lens 100 shown in FIG. 1.
  • the first light incident region 125 of the reflective optical system 120 is disposed to face the refractive optical system 110.
  • a fourth reflective surface 124 is disposed around the first light incident region 125.
  • the first light incident region 125 and the fourth reflective surface 124 may be disposed together in the same surface region of the transparent substrate 128. That is, in one surface area of the transparent substrate 128 facing the refractive optical system 110, the first light incident area 125 and the fourth reflective surface 124 may be disposed at the center and the edge of the surface area, respectively. Can be.
  • the first light incident region 125 is the region for the refractive optical system 110 and the fourth reflecting surface 124 is the region for the reflective optical system 120, the surface characteristics of each region are different from each other. Can be.
  • the first light incident region 125 and the fourth reflective surface 124 may be curved surfaces having different radii of curvature.
  • the first light incident region 125 and the fourth reflective surface 124 may be aspherical with the same radius of curvature and different aspherical coefficients.
  • a high transmission coating layer may be formed in the first light incident region 125 so that the light from the refractive optical system 110 can pass through the first light incident region 125.
  • a high reflection coating layer may be formed on the fourth reflective surface 124 to reflect the light reflected from the third reflective surface 123.
  • Both the high permeation coating layer and the high reflection coating layer may be configured to transmit or reflect light of the same wavelength band (eg, visible light).
  • the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120 may form an image using light having different wavelength bands.
  • the high permeation coating layer and the high reflection coating layer may be configured to transmit or reflect light of different wavelength bands.
  • the high plate coating layer may be formed on any one of the first to third reflective surfaces 121, 122, and 123 as well as the fourth reflective surface 124.
  • the high-permeability coating layer may be configured to transmit light in the visible light region and block light in other wavelength bands.
  • the high reflection coating layer may be configured to reflect light in the infrared region and to absorb or transmit light in other wavelength bands.
  • the high transmission coating layer may be configured to transmit light in the infrared or ultraviolet region, and the high reflection coating layer may reflect light in the visible region.
  • the refractive optical system 110 forms an image using visible light
  • the reflective optical system 120 forms an image using infrared light
  • the refractive optical system 110 captures a general color image.
  • the reflective optical system 120 may provide functions such as iris recognition, blood vessel recognition, object distance measurement, infrared signal detection, infrared thermal imaging, and night vision.
  • FIG. 5 illustrates a case where the first shutter 119 of the refractive optical system 110 of the bifocal lens 100 is opened and the second shutter 129 of the reflective optical system 120 is closed.
  • 5 exemplarily shows a path of light incident on the bifocal lens 100 in the case of FIG. 5.
  • FIG. 6 only parts related to the refractive optical system 110 are shown, and parts related to the reflective optical system 120 are omitted.
  • the imaging device may perform near field imaging.
  • the image sensor 140 of the imaging device may be located on the first upper surface IP1.
  • FIG. 7 illustrates a case where the first shutter 129 of the refractive optical system 110 of the bifocal lens 100 is closed and the second shutter 129 of the reflective optical system 120 is opened.
  • 7 exemplarily shows a path of light incident on the bifocal lens 100 in the case of FIG. 7.
  • FIG. 8 only a part related to the reflective optical system 120 is shown, and a part related to the refractive optical system 110 is omitted.
  • the imaging device may perform the remote imaging.
  • the image sensor 140 of the imaging device may be located on the second upper surface IP2.
  • the image sensor 140 may be configured to move to the first upper surface IP1 during imaging with the refractive optical system 110 and to the second upper surface IP2 during imaging with the reflective optical system 120. have.
  • the image sensor 140 may be fixed.
  • the bifocal lens 200 includes a refractive optical system 110 having a first focal length and a reflective optical system 150 having a second focal length different from the first focal length. It may include.
  • the bifocal lens 200 shown in FIG. 9 differs in that the reflective optical system 150 is in the form of a flat plate.
  • the reflective optical system 150 emits light incident on the first light incident region 155 and the first light incident region 155 to which light from the refractive optical system 110 is incident.
  • a plurality of reflective surfaces 151, 152, 153, and 154 arranged along the radial direction with respect to OX may be included.
  • the plurality of reflective surfaces 151, 152, 153, and 154 may be fixed to the transparent substrate 158 having a flat plate shape.
  • the second reflective surface 152 and the fourth reflective surface 154 are disposed on the first surface of the transparent substrate 158, and the third reflective surface 153 is the second of the transparent substrate 158. Can be placed on the surface.
  • the first surface and the second surface of the transparent substrate 158 are surfaces facing each other in parallel, and the normal direction of the first surface and the second surface may be parallel to the optical axis OX.
  • the first light incident region 155 and the light emission region 157 disposed at the center of the reflective optical system 150 may have a curved surface.
  • the first reflective surface 151 facing the first light incident region 155 may be disposed to be inclined so that the light may be inclined toward the second reflective surface 152.
  • the image sensor 140 may be divided into at least two independent segments, and at least one of the first and second shutters 119 and 129 may also be divided into at least two segments that are independently driven.
  • FIGS. 10A to 10D exemplarily illustrate configurations of various segmented image sensors 140
  • FIGS. 11A to 12C illustrate various operation examples of the first and second shutters 119 and 129. It is shown as an enemy.
  • the image sensor 140 may include two segments 140a and 140b divided left and right. Each segment 140a or 140b may be physically divided, but may be logically divided by an image signal processor of the imaging apparatus.
  • the image signal processor may independently process the signals generated from the two segments 140a and 140b separately to generate two images, or optionally, merge and process the signals to process one image. You can also create
  • the image sensor 140 may include two segments 140a and 140b divided up and down.
  • the image sensor 140 may include four segments 140a, 140b, 140c, and 140d divided up, down, left, and right.
  • the imaging apparatus may obtain stereo images having different parallaxes. For example, when the image sensor 140 is divided into left and right sides, a stereo image having parallaxes in the left and right directions may be obtained. When the image sensor 140 is divided into upper and lower sides, a stereo image having parallaxes in the vertical direction may be obtained. When the image sensor 140 is divided into up, down, left, and right directions, a stereo image having parallax in the up, down, left, and right directions may be obtained.
  • the reflective optical system 120 may be used by closing the first shutter 119 of the center portion and opening the second shutter 129 of the peripheral portion.
  • the image signal processor of the imaging apparatus may independently generate signals by processing signals generated from the segments 140a, 140b, 140c, and 140d, respectively.
  • the refractive optical system 110 may be used by opening the first shutter 119 and closing the second shutter 129.
  • the image signal processor of the imaging apparatus may generate one image by merging signals generated from the respective segments 140a, 140b, 140c, and 140d.
  • At least one of the first shutter 119 and the second shutter 129 may be divided into at least two segments driven independently along the circumferential direction.
  • the second shutter 129 is divided into two segments 129a and 129b from side to side, or two up and down, as shown in FIGS. 11C and 11D. It may be divided into segments 129a and 129b.
  • the second shutter 129 is divided into two segments 129a and 129b, one of the two segments 129a and 129b of the second shutter 129 while closing the first shutter 119 of the center portion is closed. You can operate it to open and close the other.
  • both segments 129a and 129b of the second shutter 129 may be closed while the first shutter 119 is opened.
  • the image sensor 140 may be divided into five segments 140a, 140b, 140c, 140d, and 140e.
  • the image sensor 140 may include five segments 140a, 140b, 140c, 140d, and 140e in up, down, left, and right directions.
  • the imaging apparatus may obtain a stereo image using the reflective optical system 120 and a wide angle image using the refractive optical system 110 at once.
  • both the first shutter 119 and the second shutter 129 are divided into two segments 119a, 119b; 129a, and 129b in the vertical direction, and the first shutter.
  • Two segments 119a and 119b of 119 and two segments 129a and 129b of the second shutter 129 may be opened in opposite directions.
  • the upper segment 119a of the first shutter 119 and the lower segment 129b of the second shutter 129 may be simultaneously opened.
  • the lower segment 119b of the first shutter 119 and the upper segment 129a of the second shutter 129 may be simultaneously opened.
  • FIG. 11E illustrates that the first shutter 119 and the second shutter 129 are both divided in the vertical direction, the present exemplary embodiment is not limited thereto and may be divided in the left and right directions.
  • FIG. 12 is a table showing specific optical data of the refractive optical system 110 of the bifocal lens 100 according to the first embodiment.
  • surfaces S0 and S1 represent both surfaces of the first shutter 119.
  • Surfaces S2 through S12 are shown in FIG. 6.
  • surfaces S2 and S3 represent both surfaces of the first lens element 111
  • surfaces S4 and S5 represent both surfaces of the second lens element 112
  • surfaces S6 and S7 represent the first light incident region.
  • surfaces S8 and S9 represent both surfaces of the common lens element 130
  • surfaces S10 and S11 represent both surfaces of the cover layer 141
  • surface S12 represents Represent the surface of the image sensor 140.
  • the first lens element 111 is a meniscus lens having a negative refractive power in which the object side is concave and the image side is convex.
  • the second lens element 112 is a biconvex lens.
  • the first light incident region 125 and the light emission region 127 both have concave surfaces.
  • the common lens element 130 is a meniscus lens having negative refractive power in which the object side is concave and the image side is convex.
  • FIG. 13 is a table illustrating aspherical surface coefficient values of the aspherical surface of the refractive optical system 110 of the bifocal lens 100 according to the first embodiment.
  • the aspherical coefficient may follow Equation 1 below.
  • the effective focal length EFL of the refractive system 110 of the bifocal lens 100 according to the first embodiment is 5.967 mm, the incident pupil diameter EPD is 0.88 mm, and the F number is 6.7.
  • FIG. 14 is a table showing specific optical data of the reflective optical system 120 of the bifocal lens 100 according to the first embodiment.
  • surfaces S20 and S21 represent both surfaces of the second shutter 129.
  • Surfaces S22 to S25 and surfaces S6 to S12 are shown in FIG. 8.
  • the surface S22 represents the second light incident region 126
  • the surfaces S23 to S25 represent the first to third reflective surfaces 121, 122, and 123.
  • Surfaces S6 to S12 are surfaces common to the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120.
  • the fourth reflective surface 124 is formed on the surface S6.
  • surfaces S23 to S25 and surfaces S6 to S9 are aspherical surfaces.
  • FIG. 15 is a table illustrating aspherical surface coefficient values of the aspherical surface of the reflective optical system 120 of the bifocal lens 100 according to the first embodiment.
  • the aspherical coefficient values of the surfaces S6 to S9 have been omitted since they are already shown in FIG. 13.
  • the transparent substrate 128 and the common lens element 130 may be made of different materials to suppress chromatic aberration of the bifocal lens 100.
  • PMMA was used as the material of the transparent substrate 128, and glass having a refractive index of 1.744992 and a dispersion of 42.404% was used as the material of the common lens element 130.
  • FIG. 16 shows the effective outer diameter and the effective inner diameter of the second light incident surface 126 and the plurality of reflective surfaces 121, 122, and 123 of the reflective optical system 120 of the bifocal lens 100 according to the first embodiment.
  • the effective outer diameter and the effective inner diameter shown in the table of FIG. 16 are determined by the distance from the optical axis OX.
  • the unit of numerical values shown in the table of FIG. 16 is mm.
  • the effective focal length EFL of the reflective optical system 120 of the bifocal lens 100 according to the first embodiment is 27.65 mm, the incident pupil diameter EPD is 10.64 mm, and the F number is 2.6.
  • the bifocal lens 300 according to the second embodiment includes a refractive optical system 110 having a first focal length, a reflective optical system 120 having a second focal length different from the first focal length, and three common lens elements. 131, 132, and 133.
  • the bifocal lens 300 according to Embodiment 2 is different in that it includes three common lens elements 131, 132, and 133, and the refractive optical system 110 and the reflective optical system are different.
  • the upper surface of 120 coincides.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the refractive optical system 110 of the bifocal lens 300 according to the second embodiment
  • FIG. 19 is a representation of the refractive optical system 110 of the bifocal lens 300 according to the second embodiment.
  • It is a table
  • surfaces S0 and S1 represent both surfaces of the first shutter 119.
  • Surfaces S2 through S15 are shown in FIG. 18.
  • surfaces S2 and S3 represent both surfaces of the first lens element 111
  • surfaces S4 and S5 represent both surfaces of the second lens element 112
  • surfaces S6 and S7 represent the first light incident region.
  • surfaces S8 and S9 represent both surfaces of the first common lens element 131, and surfaces S10 and S11 represent both surfaces of the second common lens element 132;
  • the surfaces S12 and S13 represent both surfaces of the third common lens element 133, and the surfaces S14 and S15 represent both surfaces of the cover layer 141.
  • the first lens element 111 is a meniscus lens having a negative refractive power, with the object side convex and the image side concave.
  • the second lens element 112 is a biconvex lens.
  • the first light incident region 125 and the light emission region 127 both have concave surfaces.
  • the first common lens element 131 is a meniscus lens having positive refractive power in which the object side is concave and the image side is convex.
  • the second common lens element 132 is a meniscus lens having a positive refractive power in which the object side is concave and the image side is convex.
  • the third common lens element 133 is a meniscus lens having negative refractive power, in which the object side is concave and the image side is convex.
  • the surfaces S2 to S13 are aspherical surfaces.
  • 20 is a table illustrating aspherical surface coefficient values of the aspherical surface of the refractive optical system 110 of the bifocal lens 300 according to the second embodiment.
  • the aspherical coefficient may follow Equation 1 described above.
  • the effective focal length EFL of the refractive optical system 110 of the bifocal lens 300 according to Embodiment 2 is 8 mm, the incident pupil diameter EPD is 2.3 mm, and the F number is 3.4.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing a configuration of the reflective optical system 120 of the bifocal lens 300 according to the second embodiment
  • FIG. 22 is a reflective optical system 120 of the bifocal lens 300 according to the second embodiment.
  • surfaces S20 and S21 represent both surfaces of the second shutter 129.
  • Surface S22 to surface S25 and surface S6 to surface S15 are shown in FIG. 21.
  • the surface S22 represents the second light incident region 126
  • the surfaces S23 to S25 represent the first to third reflective surfaces 121, 122, and 123, respectively.
  • Surfaces S6 to S15 are surfaces common to the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120.
  • the fourth reflective surface 124 is formed on the surface S6.
  • surfaces S23 to S25 and surfaces S6 to S13 are aspherical surfaces.
  • FIG. 23 is a table illustrating aspherical surface coefficient values of the aspherical surface of the reflective optical system 120 of the bifocal lens 300 according to the second embodiment. Aspherical coefficient values of the surfaces S6 to S13 were already shown in FIG. 20 and thus were omitted.
  • the first and second refractive lens elements 111 and 112, the transparent substrate 128, and the first to third common lens elements 131, 132, and 133 are doubled. In order to suppress chromatic aberration of the focus lens 100, it may be formed of different materials. 19 and 22, the first refractive lens element 111 is a glass material having a refractive index of 1.65 and a dispersion ratio of 33.44%, and the second refractive lens element 112 has a glass material and a transparent substrate having a refractive index of 1.67 and a dispersion ratio of 52.27%.
  • Reference numeral 128 denotes PMMA, polycarbonate (PC) for the first and third common lens elements 131 and 133, and PMMA for the second common lens element 132.
  • PMMA polycarbonate
  • PC polycarbonate
  • the effective focal length EFL of the reflective optical system 120 of the bifocal lens 300 according to Embodiment 2 is 25.2 mm, the incident pupil diameter EPD is 22 mm, and the F number is 1.1.
  • the imaging apparatus may use illumination light for shooting in a dark place or for distance measurement.
  • illumination light may cause an increase in the volume of the imaging apparatus.
  • the refractive optical system 110 and the reflection are provided. By disposing the light source in the space between the optical systems 120 and 150, the internal space of the imaging device can be saved.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a bifocal lens 300 ′ and an imaging device including the same according to another example.
  • the bifocal lens 300 ′ is disposed in a space surrounding the refractive optical system 110 between the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120 along a direction perpendicular to the optical axis OX. It may further include a light source 160 disposed.
  • the light source 160 may use, for example, a light emitting diode (LED).
  • the light source 160 may be a ring-shaped linear light source disposed around the optical axis OX, or at least one light source 160 may be disposed along the circumference of the refractive optical system 110.
  • FIG. 25 exemplarily illustrates a configuration in which the light source 160 is disposed on the bifocal lens 300 illustrated in FIG. 17.
  • the refractive index of the bifocal lenses 100 and 200 illustrated in FIG. 1 or 9 is illustrated. It is possible to arrange the above-described light source 160 around the optical system 110.
  • the reflective optical system 120 may be sensitive to hand shake because the focal length is long. Therefore, in order to compensate for hand shake, at least one of the common lens elements 131, 132, and 133 disposed between the reflective optical system 120 and the image sensor 140 is driven in a direction perpendicular to the optical axis OX, or Alternatively, the image sensor 140 may be driven in a direction perpendicular to the optical axis OX.
  • one of the common lens elements 131, 132, and 133 or all of the common lens elements 131, 132, and 133 may be driven in a direction perpendicular to the optical axis OX in a direction to cancel camera shake.
  • the image sensor 140 may be driven.
  • the common lens element 130 illustrated in FIG. 1 or 9 may also be configured to be driven in a direction perpendicular to the optical axis OX.
  • the common lens elements 131, 132, and 133 is moved in the optical axis OX direction to adjust the focus.
  • the image sensor 140 in the direction of the optical axis OX.
  • any one of the common lens elements 131, 132, and 133 or the entire common lens elements 131, 132, and 133 may be disposed on the optical axis OX.
  • Direction or the image sensor 140 may be driven in the optical axis (OX) direction.
  • the common lens element 130 shown in FIG. 1 or 9 may also be configured to be driven in the optical axis OX direction.
  • the common lens elements 130, 131, 132, and 133 or the image sensor 140 may be configured to be movable in both the optical axis OX direction and the direction perpendicular to the optical axis OX.
  • the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120, 150 of the bifocal lens 100, 200, 300, 300 ′ have been described to have a fixed magnification.
  • any one or both of the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120, 150 may be configured to have a zoom function of a variable magnification.
  • the lens elements 111 and 112 may be designed to perform a zoom function, or the common lens elements 130, 131, 132, and 133 and the refractive optical system may be used.
  • the lens elements 111 and 112 of 110 may be designed to perform a zoom function together.
  • the refractive optical system 110 may further include additional lens elements in addition to the two lens elements 111 and 112 for the zoom function.
  • the distance between the reflective surfaces 121, 122, 123, 124 is configured to vary, or the reflective surfaces 121, 122, 123, 124
  • the common lens elements 131, 132, and 133 may be designed to perform a zooming function along with the change of the distances.
  • at least one of the reflective surfaces 151, 152, 153, and 154 may be configured as a deformable mirror.
  • the deformable mirror is a mirror having a variable curvature so that the focal length can be changed, and can be deformed in any form by mechanical or electrical manipulation.
  • the deformable mirror may include a flexible reflective surface made of a flexible member and a plurality of fine electrical or mechanical actuators arranged two-dimensionally to locally push or pull the flexible reflective surface.
  • the reflective surfaces 121, 122, 123, and 124 of the reflective optical system 120 illustrated in FIGS. 1 and 17 may also be configured as deformable mirrors.
  • the digital zoom function may be implemented by using two images obtained from the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120, 150 of the bifocal lens 100, 200, 300, or 300 ′. That is, if the magnification between the wide-angle end of the refractive optical system 110 and the telephoto end of the reflective optical system 120, 150 is secured by the digital zoom through the image signal processing unit (not shown) of the imaging device, from the wide-angle end to the telephoto end. You can also achieve continuous zoom effects. 26 and 27 illustrate a digital zoom function using two images obtained from the refractive optical system 110 and the reflective optical system 120, 150 of the bifocal lens 100, 200, 300, or 300 ′, respectively. A conceptual diagram that outlines the principle.
  • the refractive optical system 110 illustratively forms an image 11 of 1x zoom and the reflective optical systems 120 and 150 illustratively forms an image 15 of 5x zoom.
  • the double zoom image 12 may be obtained by cropping and digitally enlarging the central portion of the 1x zoom image 11 obtained from the refractive optical system 110.
  • the image quality of the obtained 2x zoom image 12 may be degraded as a whole. Therefore, the 5x zoom image 15 obtained from the reflective optical system 120 and 150 is reduced, and the corresponding field of view area of the center portion of the 2x zoom image 12 is reduced to the reduced 5x zoom image 15. Can be replaced.
  • the center portion 12a of the 2x zoom image 12 may be obtained by reducing the 5x zoom image 15, and the peripheral portion 12b may be obtained by enlarging the 1x zoom image 11. Then, since at least the center portion 12a of the 2x zoom image 12 has no deterioration of image quality, the digital zoom function can be implemented while minimizing deterioration of image quality.
  • a 3x zoom image 13 or a 4x zoom image 14 may be obtained.
  • an image of 5x zoom or more can also be obtained.
  • a 10x zoom image obtained by digital zoom in a general image capturing apparatus is very degraded in image quality
  • the quality of the 10x zoom image may not be significantly reduced.
  • the center portion of the 1x zoom image 11 corresponding to the angle of view of the 5x zoom image 15 may be replaced with the 5x zoom image 15, or the image may be corrected with reference to the 5x zoom image 15.
  • the overall sharpness of the 1x zoom image 11 may be improved.
  • the 1x zoom image 11 and the 5x zoom image 15 are different from each other.
  • the degree of distortion, aberration and brightness may differ. Therefore, the center portion and the peripheral portion of the synthesized image may have different degrees of distortion, aberration, and brightness.
  • the image processing may be performed such that the image is naturally connected to the peripheral portion from the center portion of the synthesized image.
  • the image may be adjusted using interpolation or the like so that the center portion and the peripheral portion of the image to be combined are smoothly connected.
  • the 2x zoom image 12 is to be synthesized from the 1x zoom image 11 and the 5x zoom image 15
  • the continuous brightness from the center of the 1x zoom image 11 to the periphery is obtained.
  • the ratio is calculated and the continuous brightness ratio from the center to the periphery of the 5x zoom image 15 is calculated.
  • an appropriate continuous brightness ratio from the center to the periphery of the 2x zoom image 12 is determined. do.
  • Image processing may be performed such that the brightness of the zoom image 11 follows the determined continuous brightness ratio.
  • Image processing may be performed in a similar manner on the distortion degree, aberration, and resolution of the image to be synthesized.

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Abstract

근거리 촬영과 원거리 촬영이 가능하도록 2개의 초점 거리를 가지며 박형으로 제작 가능한 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치가 개시된다. 개시된 실시예에 따른 이중 초점 렌즈는, 적어도 하나의 굴절 렌즈 소자를 구비하며 제 1 초점 거리를 갖는 굴절식 광학계, 및 다수의 반사면을 구비하며 제 1 초점 거리와 다른 제 2 초점 거리를 갖는 반사식 광학계를 포함할 수 있다. 굴절식 광학계와 반사식 광학계는 서로 다른 초점 거리를 갖기 때문에, 일 실시예에 따른 이중 초점 렌즈는 근거리 촬영과 원거리 촬영을 모두 가능하게 할 수 있다.

Description

이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치
개시된 실시예들은 2개의 초점 거리를 갖는 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 근거리 촬영과 원거리 촬영이 가능하도록 2개의 초점 거리를 가지며 박형으로 제작 가능한 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치에 관한 것이다.
컴팩트 카메라와 모바일 장치용 카메라뿐만 아니라 미러리스 카메라와 일안반사식 카메라 등도 점차 소형화되는 추세이다. 이에 따라, 소형 카메라 렌즈의 개발이 요구되고 있다. 지금까지 소형 카메라 렌즈는 대부분 단초점 렌즈로 설계되었다. 그러나 단초점 렌즈는 화각이 고정되어 있어서 다양한 효과를 주어 촬영하는 것이 어렵다. 특히, 컴팩트 카메라나 모바일 장치용 카메라는 대체로 근거리 촬영에 적합하게 설계되었기 때문에, 원거리 촬영에는 적합하지 않을 수 있다.
근거리에서 원거리까지 촬영이 가능한 렌즈로서 다수의 초점 거리를 갖는 다중 초점 렌즈 또는 가변의 초점 거리를 갖는 줌 렌즈가 많이 사용된다. 그런데, 컴팩스 카메라에서 사용되는 줌 렌즈는 통상적으로 6매 이상의 다수의 렌즈들로 구성되기 때문에 카메라가 길고 무거워지는 원인이 된다. 미러리스 카메라와 일안반사식 카메라의 경우에는 초점 거리가 다른 다양한 단초점 렌즈들을 교환하여 사용할 수 있지만, 원거리 촬영을 위한 장초점 렌즈는 여전히 길고 큰 형태를 가지며, 또한 렌즈를 교환하여야 하는 불편함이 있다. 더욱이, 모바일 장치용 카메라는 크기가 매우 작기 때문에 줌 렌즈를 사용하기가 어렵다. 원거리 촬영을 위하여 모바일 장치용 카메라의 외부에 별도의 추가 렌즈를 어댑터를 이용하여 부착할 수도 있으나, 이 경우에도 모바일 장치의 크기가 커지게 된다. 최근에는 초점 거리가 다른 2개의 광학계를 일체화한 렌즈가 제안되고 있으나, 이 경우에는 2개의 이미지 센서가 필요하기 때문에, 카메라의 제작 비용 및 크기가 증가하게 된다.
근거리 촬영과 원거리 촬영이 가능하도록 2개의 초점 거리를 가지며 박형으로 제작 가능한 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 이중 초점 렌즈는, 적어도 하나의 굴절 렌즈 소자를 구비하며 제 1 초점 거리를 갖는 굴절식 광학계; 및 다수의 반사면을 구비하며 제 1 초점 거리와 다른 제 2 초점 거리를 갖는 반사식 광학계;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 굴절식 광학계는 제 1 상면을 가지며 상기 반사식 광학계는 제 2 상면을 갖고, 상기 굴절식 광학계와 반사식 광학계는 모두 상기 제 1 및 제 2 상면에 대해 물체측에 배치되어 있다.
상기 굴절식 광학계와 반사식 광학계는 하나의 공통 광축을 중심으로 배치될 수 있다.
상기 굴절식 광학계는 물체측에 배치되며 상기 반사식 광학계는 상측에 배치되고, 상기 반사식 광학계의 중심부는 상기 굴절식 광학계로부터 나온 빛이 입사하는 제 1 광입사 영역 및 상기 제 1 광입사 영역에 입사한 빛을 상측으로 출사시키는 광출사 영역을 포함할 수 있다.
상기 이중 초점 렌즈는, 상기 굴절식 광학계와 반사식 광학계에 대해 상측에 배치되며, 상기 굴절식 광학계로부터 나온 빛을 제 1 상면 상에 포커싱하고 상기 반사식 광학계로부터 나온 빛을 제 2 상면 상에 포커싱하는 적어도 하나의 공통 렌즈 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 공통 렌즈 소자는 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향으로 이동 가능하도록 구성될 수 있다.
일 예에서, 상기 굴절식 광학계는, 물체측으로부터 상측 방향으로, 물체측이 오목하고 상측이 볼록한 음의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈 및 양볼록 렌즈를 포함하고, 상기 공통 렌즈 소자는 물체측이 오목하고 상측이 볼록한 음의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈를 포함할 수 있다.
다른 예에서, 상기 굴절식 광학계는, 물체측으로부터 상측 방향으로, 물체측이 볼록하고 상측이 오목한 음의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈 및 양볼록 렌즈를 포함하고, 상기 공통 렌즈 소자는, 물체측으로부터 상측 방향으로, 물체측이 오목하고 상측이 볼록한 양의 굴절력을 갖는 제 1 메니스커스 렌즈, 물체측이 오목하고 상측이 볼록한 양의 굴절력을 갖는 제 2 메니스커스 렌즈, 및 물체측이 오목하고 상측이 볼록한 음의 굴절력을 갖는 제 3 메니스커스 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제 1 상면과 상기 제 2 상면의 광축 상의 위치가 서로 동일할 수 있다.
또는, 상기 제 1 상면과 상기 제 2 상면의 광축 상의 위치가 서로 다를 수도 있다.
상기 반사식 광학계는 상기 다수의 반사면들 사이에서 빛의 진행 경로가 다수 회 절곡되는 접이식 구조를 가질 수 있다.
상기 반사식 광학계는 상기 반사식 광학계의 둘레를 따라 환형으로 형성된 제 2 광입사 영역을 포함하며, 상기 다수의 반사면들은 상기 제 2 광입사 영역을 통해 입사한 빛을 상기 광출사 영역으로 출사시키도록 광학적으로 서로 마주하여 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 반사면들은 광축을 중심으로 하는 환형의 형태를 가지며, 상기 제 2 광입사 영역을 통해 입사한 빛의 진행 방향을 따라 상기 다수의 반사면들의 광축으로부터의 반경이 점차 작아질 수 있다.
또한, 상기 이중 초점 렌즈는, 상기 제 1 광입사 영역에 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키고 다른 파장 대역의 빛을 차단하는 제 1 코팅층; 및 상기 다수의 반사면들 중 적어도 하나의 반사면에 배치된 것으로, 상기 제 1 파장 대역과 다른 제 2 파장 대역의 빛을 반사하고 다른 파장 대역의 빛을 흡수 또는 투과시키는 제 2 코팅층;을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 및 제 2 파장 대역 중 하나는 가시광 영역이고 다른 하나는 적외선 영역일 수 있다.
또한, 상기 이중 초점 렌즈는 상기 다수의 반사면들이 고정되어 있는 투명 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 광입사 영역, 제 2 광입사 영역 및 광출사 영역은 상기 투명 기판의 표면 상에 형성될 수 있다.
상기 제 1 광입사 영역 및 광출사 영역에 대응하는 상기 투명 기판의 표면 영역이 곡면일 수 있다.
상기 다수의 반사면들은 곡면이며, 상기 다수의 반사면들이 각각 고정되어 있는 상기 투명 기판의 표면 영역들은 그에 대응하는 반사면들의 곡면에 일치하는 형상을 가질 수 있다.
상기 투명 기판은 서로 평행하게 마주 보는 제 1 표면과 제 2 표면을 가질 수 있다.
또한, 상기 이중 초점 렌즈는, 상기 굴절식 광학계를 향해 입사하는 빛을 투과 또는 차단하는 제 1 셔터 및 상기 반사식 광학계에 입사하는 빛을 투과 또는 차단하는 제 2 셔터를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 셔터와 제 2 셔터는 선택적으로 어느 하나가 빛을 투과시키고 다른 하나가 빛을 차단하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 셔터와 제 2 셔터 중 적어도 하나는 원주 방향을 따라 독립적으로 구동되는 적어도 2개의 세그먼트로 분할될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 초점 거리가 상기 제 1 초점 거리보다 더 길 수 있다.
상기 이중 초점 렌즈는 굴절식 광학계를 둘러싸는 공간에 배치된 적어도 하나의 광원을 더 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 촬상 장치는, 상술한 구조들을 갖는 이중 초점 렌즈; 및 상기 이중 초점 렌즈의 상측에 배치된 이미지 센서;를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 적어도 2개의 독립적인 세그먼트로 분할될 수 있다.
상기 제 1 상면과 상기 제 2 상면의 광축 상의 위치가 서로 다르며, 상기 이미지 센서는 상기 굴절식 광학계로 촬영하는 동안 제 1 상면으로 이동하고 상기 반사식 광학계로 촬영하는 동안 제 2 상면으로 이동하도록 구성될 수 있다.
상기 이미지 센서는 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향으로 이동 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 굴절식 광학계 및 반사식 광학계 중에서 적어도 하나는 줌 기능을 갖도록 구성될 수 있다.
상기 굴절식 광학계는 제 1 배율로 제 1 영상을 생성하도록 구성되며, 상기 반사식 광학계는 제 1 배율보다 큰 배율 제 2 배율로 제 2 영상을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 촬상 장치는, 상기 제 1 영상을 크롭 및 확대하고 상기 제 2 영상을 축소시키는 방식으로 상기 제 1 영상과 제 2 영상을 합성함으로써, 제 1 배율과 제 2 배율 사이의 배율을 갖는 제 3 영상을 생성하도록 구성될 수 있다.
개시된 실시예에 따른 이중 초점 렌즈는 적어도 하나의 굴절 렌즈 소자를 구비하는 굴절식 광학계와 다수의 반사면을 구비하는 반사식 광학계를 포함할 수 있다. 굴절식 광학계와 반사식 광학계는 서로 다른 초점 거리를 갖기 때문에, 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈는 근거리 촬영과 원거리 촬영을 모두 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 초점 거리가 짧은 굴절식 광학계는 근거리 촬영에 이용될 수 있으며, 초점 거리가 긴 반사식 광학계는 원거리 촬영에 이용될 수 있다.
또한, 반사식 광학계는 다수의 반사면들 사이에서 빛의 진행 경로가 다수 회 절곡되는 접이식 구조로 구성되기 때문에 광축 방향으로의 길이가 짧아질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈는 서로 다른 2개의 초점 거리를 가지면서도 박형으로 제작이 가능하다.
더욱이, 굴절식 광학계와 반사식 광학계가 하나의 공통 광축을 중심으로 배치되고 상면(image plane)이 거의 동일한 위치에 형성되기 때문에, 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈를 채용한 촬상 장치는 하나의 이미지 센서만을 사용하는 것이 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이중 초점 렌즈의 굴절식 광학계와 그에 인접한 반사식 광학계의 중심부를 확대하여 보이는 부분 단면도이다.
도 3은 반사식 광학계의 광투과 영역에 배치되는 투과 코팅층의 파장별 투과 특성을 예시적으로 보인다.
도 4는 반사식 광학계의 반사 영역에 배치되는 반사 코팅층의 파장별 반사 특성을 예시적으로 보인다.
도 5는 이중 초점 렌즈의 굴절식 광학계의 셔터가 열리고 반사식 광학계의 셔터가 닫힌 경우를 보인다.
도 6은 도 5의 경우에 이중 초점 렌즈에 입사하는 빛의 경로를 예시적으로 보인다.
도 7은 이중 초점 렌즈의 굴절식 광학계의 셔터가 닫히고 반사식 광학계의 셔터가 열린 경우를 보인다.
도 8은 도 7의 경우에 이중 초점 렌즈에 입사하는 빛의 경로를 예시적으로 보인다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10a 내지 10d는 다양한 분할형 이미지 센서의 구성을 예시적으로 보인다.
도 11a 내지 도 11e는 셔터의 다양한 동작 예를 예시적으로 보인다.
도 12는 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈의 굴절식 광학계의 구체적인 광학 데이터를 나타내는 표이다.
도 13은 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈의 굴절식 광학계의 비구면에 대한 비구면 계수 값을 나타내는 표이다.
도 14는 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈의 반사식 광학계의 구체적인 광학 데이터를 나타내는 표이다.
도 15는 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈의 반사식 광학계의 비구면에 대한 비구면 계수 값을 나타내는 표이다.
도 16은 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈의 반사식 광학계의 다수의 반사면의 직경을 나타내는 표이다.
도 17은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 18은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈의 굴절식 광학계의 구성을 보이는 단면도이다.
도 19는 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈의 굴절식 광학계의 구체적인 광학 데이터를 나타내는 표이다.
도 20은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈의 굴절식 광학계의 비구면에 대한 비구면 계수 값을 나타내는 표이다.
도 21은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈의 반사식 광학계의 구성을 보이는 단면도이다.
도 22는 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈의 반사식 광학계의 구체적인 광학 데이터를 나타내는 표이다.
도 23은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈의 반사식 광학계의 비구면에 대한 비구면 계수 값을 나타내는 표이다.
도 24는 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈의 반사식 광학계의 다수의 반사면의 직경을 나타내는 표이다.
도 25는 또 다른 예에 따른 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 26 및 도 27은 이중 초점 렌즈의 굴절식 광학계와 반사식 광학계로부터 각각 얻은 2개의 영상을 이용하여 디지털 줌 기능을 구현하는 원리를 개략적으로 설명하는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(100) 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(100)는, 제 1 초점 거리를 갖는 굴절식 광학계(110) 및 제 1 초점 거리와 다른 제 2 초점 거리를 갖는 반사식 광학계(120)를 포함할 수 있다. 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)는 각각 제 1 상면(IP1)과 제 2 상면(IP2)을 가질 수 있다. 도 1에는 예시적으로 제 1 상면(IP1)과 제 2 상면(IP2)의 광축(OX) 상의 위치가 일치하지 않는 것으로 도시되어 있으나, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)의 설계에 따라서는 제 1 상면(IP1)과 제 2 상면(IP2)의 광축(OX) 상의 위치가 일치할 수도 있다.
또한, 이중 초점 렌즈(100)는 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)에 의해 공통으로 사용되는 적어도 하나의 공통 렌즈 소자(130)를 더 포함할 수 있다. 굴절식 광학계(110)와 공통 렌즈 소자(130)의 작용에 의해 굴절식 광학계(110)의 제 1 초점 거리가 형성되고, 반사식 광학계(120)와 공통 렌즈 소자(130)의 작용에 의해 반사식 광학계(120)의 제 2 초점 거리가 형성된다. 공통 렌즈 소자(130)는 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)에 대해 상측(image side)에 배치될 수 있다. 도 1에는 예시적으로 하나의 공통 렌즈 소자(130)가 도시되어 있지만, 설계에 따라서는 2개의 이상의 공통 렌즈 소자(130)를 사용할 수도 있다. 이러한 공통 렌즈 소자(130)는 굴절식 광학계(110)로부터 나온 빛을 제 1 상면(IP1) 상에 포커싱하고 반사식 광학계(120)로부터 나온 빛을 제 2 상면(IP2) 상에 포커싱하도록 구성될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 촬상 장치는 상기 이중 초점 렌즈(100), 및 제 1 상면(IP1)과 제 2 상면(IP2) 중에서 어느 하나 평면 상에 배치되는 이미지 센서(140)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(140)는 예를 들어 CCD(charge-coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다. 이미지 센서(140)의 광입사면에는 이미지 센서(140)의 컬러 필터들 및 화소들을 보호하기 위한 커버층(141)이 더 배치될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)가 모두 제 1 및 제 2 상면(IP1, IP2)에 대해 물체측(object side)에 배치될 수 있다. 즉, 굴절식 광학계(110)의 제 1 상면(IP1)과 반사식 광학계(120)의 제 2 상면(IP2)은 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)에 대해 동일한 방향에 배치될 수 있다. 따라서, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)가 하나의 동일한 이미지 센서(140)에 영상을 형성하는 것이 가능하므로, 촬상 장치는 초점 거리가 서로 다른 2개의 광학계(110, 120)에 대해 별도의 이미지 센서들을 각각 구비할 필요가 없이 단지 하나의 이미지 센서(140)만으로 화각이 다른 영상을 촬영할 수 있다.
굴절식 광학계(110)는 광축(OX)을 따라 배열된 적어도 하나의 굴절 렌즈 소자(111, 112)를 포함할 수 있다. 도 1에는 예시적으로 2개의 굴절 렌즈 소자(111, 112)가 도시되어 있으나, 굴절식 광학계(110)는 설계에 따라 단지 하나의 굴절 렌즈 소자 또는 3개 이상의 굴절 렌즈 소자를 포함할 수도 있다. 다수의 굴절 렌즈 소자(111, 112)들을 사용하는 경우, 이중 초점 렌즈(100)의 색수차를 억제하기 위하여 굴절 렌즈 소자(111, 112)들은 굴절률이 서로 다른 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 굴절식 광학계(110)의 광 경로 내에는 굴절식 광학계(110)를 향해 입사하는 빛을 투과 또는 차단하는 제 1 셔터(119)가 배치될 수 있다. 도 1에는 굴절식 광학계(110)의 전면에 제 1 셔터(119)가 배치된 것으로 도시되어 있으나, 제 1 셔터(119)의 위치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제 1 셔터(119)는 제 1 렌즈 소자(111)와 제 2 렌즈 소자(112) 사이에 또는 제 2 렌즈 소자(112)와 반사식 광학계(120) 사이에 배치될 수도 있다.
반사식 광학계(120)는 굴절식 광학계(110)와 동일한 광축(OX)을 따라 배치될 수 있다. 즉, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)는 하나의 공통 광축(OX)을 중심으로 배치될 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 굴절식 광학계(110)는 광축(OX) 상에서 물체측(object side)에 가깝게 배치되며 반사식 광학계(120)는 광축(OX)에서 상측(image side)에 가깝게 배치될 수 있다. 따라서, 물체측으로부터 상측 방향을 따라 굴절식 광학계(110)가 앞쪽에 배치되고 반사식 광학계(120)가 뒤쪽에 배치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 반사식 광학계(120)는, 굴절식 광학계(110)로부터 나온 빛이 입사하는 제 1 광입사 영역(125), 제 1 광입사 영역(125)에 입사한 빛을 상측으로 출사시키는 광출사 영역(127), 반사식 광학계(120)의 둘레를 따라 환형으로 형성된 제 2 광입사 영역(126), 및 제 1 광입사 영역(125)과 제 2 광입사 영역(126) 사이에서 광축(OX)을 중심으로 반경 방향을 따라 배열된 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들을 포함할 수 있다. 제 1 광입사 영역(125)과 광출사 영역(127)은 반사식 광학계(120)의 중심부에서 서로 마주하여 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 광입사 영역(125)은 굴절식 광학계(110)에 의해 결상되는 빛이 입사하는 영역이며, 제 2 광입사 영역(126)은 반사식 광학계(120)에 의해 결상되는 빛이 입사하는 영역이다. 제 1 광입사 영역(125)을 통해 입사한 빛과 제 2 광입사 영역(126)을 통해 입사한 빛은 모두 광출사 영역(127)은 통해 상측으로 출사할 수 있다.
반사식 광학계(120)의 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들은 제 2 광입사 영역(126)을 통해 입사한 빛을 광출사 영역(127)으로 출사시키도록 광학적으로 서로 마주하여 배치될 수 있다. 여기서, 광학적으로 서로 마주하여 배치된다는 의미는, 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들이 물리적으로 서로 정면을 바라보도록 배치된다는 의미가 아니라, 어느 한 반사면에서 반사된 빛이 다른 반사면으로 진행하도록 배치된다는 의미이다. 예를 들어, 제 2 광입사 영역(126)으로 입사한 빛은 제 1 반사면(121)에 의해 제 2 반사면(122)으로 반사된다. 그런 후, 빛은 제 2 반사면(122)에 의해 제 3 반사면(123)으로 반사된 다음, 제 3 반사면(123)에 의해 제 4 반사면(124)으로 반사된다. 마지막으로, 제 4 반사면(124)에서 반사된 빛은 광출사 영역(127)을 통해 상측으로 진행하게 된다. 도 1에는 단지 예시적으로 4개의 반사면(121, 122, 123, 124)들이 도시되어 있다. 그러나, 본 실시예에서 반사면(121, 122, 123, 124)들의 개수가 반드시 4개로 한정되는 것은 아니며, 설계에 따라 적어도 2개 이상의 반사면(121, 122, 123, 124)들이 사용될 수 있다.
다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들은 광축(OX)을 중심으로 하는 환형의 형태를 가질 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 2 광입사 영역(126)을 통해 입사한 빛의 진행 방향을 따라 순서대로 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들의 광축(OX)으로부터의 반경이 점차 작아질 수 있다. 예를 들어, 광축(OX)으로부터의 반경은 제 1 반사면(121)이 가장 크고, 제 4 반사면(124)이 가장 작을 수 있다.
상술한 설명에서 알 수 있듯이, 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(100)의 반사식 광학계(120)는 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들 사이에서 빛의 진행 경로가 다수 회 절곡되는 접이식 광학(folded optics) 구조를 가질 수 있다. 이러한 접이식 광학 구조에 따르면, 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들을 이용하여 광 경로를 길게 연장함으로써 반사식 광학계(120)의 초점 거리와 관계 없이 반사식 광학계(120)의 두께(또는, 광축(OX) 방향으로의 길이)를 크게 줄이는 것이 가능하다. 따라서, 반사식 광학계(120)의 제 2 초점 거리를 굴절식 광학계(110)의 제 1 초점 거리보다 길게 선택할 경우, 이중 초점 렌즈(100)는 서로 다른 2개의 초점 거리를 가지면서도 박형으로 제작이 가능하다. 또한, 제 1 초점 거리를 갖는 굴절식 광학계(110)와 제 2 초점 거리를 갖는 반사식 광학계(120)를 선택적으로 이용함으로써, 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(100)는 근거리 촬영과 원거리 촬영을 모두 가능하게 할 수 있다. 예컨대, 초점 거리가 짧은 굴절식 광학계(110)는 근거리 촬영(광각)에 이용될 수 있으며, 초점 거리가 긴 반사식 광학계(120)는 원거리 촬영(망원)에 이용될 수 있다. 또한, 굴절식 광학계(110)의 광각단과 반사식 광학계(120)의 망원단 사이의 배율을 촬상 장치의 영상 신호 처리부(도시되지 않음)를 통해 디지털 줌으로 확보한다면 광각단부터 망원단까지 연속적인 줌 효과를 얻을 수도 있다.
다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들은 촬상 장치의 내부에 각각 개별적으로 조립 및 고정될 수도 있지만, 이 경우 조립 공정이 복잡할 수 있으며 각각의 반사면(121, 122, 123, 124)들을 정확하게 위치시키기 위해 많은 시간이 소요될 수 있다. 따라서, 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들은 하나의 투명 기판(128)에 고정된 후 촬상 장치의 내부에 배치될 수 있다. 투명 기판(128)은 예를 들어 유리 또는 PMMA(Polymethylmethacrylate)와 같은 투명한 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 이중 초점 렌즈(100)의 색수차를 억제하기 위하여, 투명 기판(128)의 굴절률과 공통 렌즈 소자(130)의 굴절률을 서로 다르게 선택할 수 있다. 예를 들어, 투명 기판(128)은 PMMA이고 공통 렌즈 소자(130)는 PMMA와 굴절률이 상이한 유리 재료일 수 있다. 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들이 고정된 투명 기판(128)을 사용하는 경우, 제 1 광입사 영역(125), 제 2 광입사 영역(126) 및 광출사 영역(127)은 투명 기판(128)의 표면 상에 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 반사면(121, 122, 123, 124), 제 1 광입사 영역(125), 제 2 광입사 영역(126) 및 광출사 영역(127)의 위치와 형태에 따라 투명 기판(128)은 복잡한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들이 곡면인 경우, 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들이 각각 고정되어 있는 투명 기판(128)의 표면 영역들은 그에 대응하는 반사면(121, 122, 123, 124)들의 곡면에 일치하는 형상을 가질 수 있다. 여기서, 다수의 반사면(121, 122, 123, 124)들은 투명 기판(128)의 대응하는 표면 영역들에 각각 코팅된 반사 코팅일 수 있다. 또한, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)의 결상 작용에 기여하기 위하여, 제 1 광입사 영역(125) 및 광출사 영역(127)에 대응하는 투명 기판(128)의 표면 영역이 굴절력을 갖는 곡면일 수도 있다. 도 1에는 제 2 광입사 영역(126)에 대응하는 투명 기판(128)의 표면 영역이 평면인 것으로 도시되어 있으나, 제 2 광입사 영역(126)에 대응하는 투명 기판(128)의 표면 영역도 역시 굴절력을 갖는 곡면으로 형성될 수도 있다.
또한, 이중 초점 렌즈(100)는 반사식 광학계(120)에 입사하는 빛을 투과 또는 차단하는 제 2 셔터(129)를 더 포함할 수 있다. 제 2 셔터(129)는 예를 들어 제 2 광입사 영역(126)에 마주하여 배치될 수 있다. 굴절식 광학계(110)에 입사하는 빛을 투과 또는 차단하는 제 1 셔터(119)와 반사식 광학계(120)에 입사하는 빛을 투과 또는 차단하는 제 2 셔터(129)는 광축(OX) 상에서 서로 다른 위치에 배치될 수도 있지만, 동일 평면 상에 배치될 수도 있다. 제 1 셔터(119)와 제 2 셔터(129)가 동일 평면 상에 배치되는 경우, 제 1 셔터(119)와 제 2 셔터(129)를 하나의 기판 상에 함께 형성할 수 있다. 제 1 및 제 2 셔터(119, 129)는 필요에 따라 선택적으로 어느 하나가 빛을 투과시키고 다른 하나가 빛을 차단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 셔터(119)가 열린 동안에는 제 2 셔터(129)가 닫히고, 반대로 제 2 셔터(129)가 열린 동안에는 제 1 셔터(119)가 닫힐 수 있다. 이러한 제 1 및 제 2 셔터(119, 129)는, 예를 들어, 기계적으로 개폐되는 기계식 셔터, 편광이나 액정을 사용하여 개폐되는 전기식 셔터, 또는 정전기적으로 구동되는 불투과 잉크막을 사용하여 개폐되는 셔터 등과 같은 다양한 종류의 셔터가 사용될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 이중 초점 렌즈(100)의 굴절식 광학계(110)와 그에 인접한 반사식 광학계(120)의 중심부를 확대하여 보이는 부분 단면도이다. 도 2를 참조하면, 반사식 광학계(120)의 제 1 광입사 영역(125)은 굴절식 광학계(110)와 대향하여 배치되어 있다. 또한, 제 1 광입사 영역(125)의 둘레에는 제 4 반사면(124)이 배치되어 있다. 예를 들어, 제 1 광입사 영역(125)과 제 4 반사면(124)은 투명 기판(128)의 동일한 표면 영역 내에 함께 배치될 수 있다. 즉, 굴절식 광학계(110)와 대향하는 투명 기판(128)의 한 표면 영역 내에서 제 1 광입사 영역(125)과 제 4 반사면(124)은 그 표면 영역의 중심과 가장자리에 각각 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 광입사 영역(125)은 굴절식 광학계(110)를 위한 영역이고 제 4 반사면(124)은 반사식 광학계(120)를 위한 영역이므로, 각각의 영역에 대한 표면 특성이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 광입사 영역(125)과 제 4 반사면(124)은 곡률 반경이 서로 다른 곡면일 수 있다. 또는, 제 1 광입사 영역(125)과 제 4 반사면(124)은 곡률 반경이 동일하고 비구면 계수들이 서로 다른 비구면일 수도 있다.
또한, 굴절식 광학계(110)로부터 나온 빛이 제 1 광입사 영역(125)을 투과할 수 있도록 제 1 광입사 영역(125)에는 고투과 코팅층이 형성될 수 있다. 그리고, 제 4 반사면(124)에는 제 3 반사면(123)에서 반사된 빛을 반사할 수 있도록 고반사 코팅층이 형성될 수 있다. 이러한 고투과 코팅층과 고반사 코팅층은 모두 동일한 파장 대역의 빛(예컨대, 가시광)을 투과시키거나 반사하도록 구성될 수 있다. 그러나, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)가 서로 다른 파장 대역의 빛을 이용하여 영상을 형성할 수도 있다. 이 경우, 고투과 코팅층과 고반사 코팅층은 서로 다른 파장 대역의 빛을 투과시키거나 반사하도록 구성될 수 있다. 또한, 고반 코팅층은 제 4 반사면(124)뿐만 아니라 제 1 내지 제 3 반사면(121, 122, 123) 중에서 어느 하나에도 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 3의 파장별 투과도 그래프와 같이, 고투과 코팅층은 가시광 영역의 빛을 투과시키고 다른 파장 대역의 빛을 차단하도록 구성될 수 있다. 그리고, 도 4의 파장별 반사도 그래프와 같이, 고반사 코팅층은 적외선 영역의 빛을 반사하고 다른 파장 대역의 빛을 흡수 또는 투과시키도록 구성될 수 있다. 또는, 고투과 코팅층이 적외선 또는 자외선 영역의 빛을 투과시키고, 고반사 코팅층이 가시광 영역의 빛을 반사하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 굴절식 광학계(110)가 가시광을 이용하여 영상을 형성하고 반사식 광학계(120)가 적외선을 이용하여 영상을 형성하는 경우, 굴절식 광학계(110)는 일반적인 컬러 영상을 촬영하고, 반사식 광학계(120)는 홍채 인식, 혈관 인식, 피사체 거리 측정, 적외선 신호 검출, 적외선 열상 촬영, 야간 투시 등과 같은 기능을 제공할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(100)의 동작을 설명한다.
먼저, 도 5는 이중 초점 렌즈(100)의 굴절식 광학계(110)의 제 1 셔터(119)가 열리고 반사식 광학계(120)의 제 2 셔터(129)가 닫힌 경우를 도시하고 있으며, 도 6은 도 5의 경우에 이중 초점 렌즈(100)에 입사하는 빛의 경로를 예시적으로 도시하고 있다. 도 6에는 굴절식 광학계(110)와 관련된 부분만이 도시되어 있으며 반사식 광학계(120)와 관련된 부분은 생략되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 중심부에 원형으로 형성된 제 1 셔터(119)가 열려 있고, 주변부에 환형으로 형성된 제 2 셔터(129)가 닫힌 경우, 빛은 굴절식 광학계(110)에만 입사한다. 따라서, 굴절식 광학계(110)만이 이미지 센서(140)에 형성되는 영상에 기여한다. 그러면, 촬상 소자는 근거리 촬영을 수행할 수 있다. 이때, 촬상 소자의 이미지 센서(140)는 제 1 상면(IP1)에 위치할 수 있다.
또한, 도 7은 이중 초점 렌즈(100)의 굴절식 광학계(110)의 제 1 셔터(129)가 닫히고 반사식 광학계(120)의 제 2 셔터(129)가 열린 경우를 도시하고 있으며, 도 8은 도 7의 경우에 이중 초점 렌즈(100)에 입사하는 빛의 경로를 예시적으로 도시하고 있다. 도 8에는 반사식 광학계(120)와 관련된 부분만이 도시되어 있으며 굴절식 광학계(110)와 관련된 부분은 생략되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 중심부에 원형으로 형성된 제 1 셔터(119)가 닫혀 있고, 주변부에 환형으로 형성된 제 2 셔터(129)가 열린 경우, 빛은 반사식 광학계(120)에만 입사한다. 따라서, 반사식 광학계(120)만이 이미지 센서(140)에 형성되는 영상에 기여한다. 그러면, 촬상 소자는 원거리 촬영을 수행할 수 있다. 이때, 촬상 소자의 이미지 센서(140)는 제 2 상면(IP2)에 위치할 수 있다. 이를 위해, 이미지 센서(140)는 굴절식 광학계(110)로 촬영하는 동안 제 1 상면(IP1)으로 이동하고 반사식 광학계(120)로 촬영하는 동안 제 2 상면(IP2)으로 이동하도록 구성될 수 있다. 그러나, 실시예에 따라서, 제 1 상면(IP1)과 제 2 상면(IP2)이 일치하는 경우에는, 이미지 센서(140)가 고정되어 있을 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(200) 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 이중 초점 렌즈(200)는, 제 1 초점 거리를 갖는 굴절식 광학계(110) 및 제 1 초점 거리와 다른 제 2 초점 거리를 갖는 반사식 광학계(150)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 이중 초점 렌즈(100)와 비교할 때, 도 9에 도시된 이중 초점 렌즈(200)는 반사식 광학계(150)가 평판 형태라는 점에서 차이가 있다.
본 실시예에서, 반사식 광학계(150)는 굴절식 광학계(110)로부터 나온 빛이 입사하는 제 1 광입사 영역(155), 제 1 광입사 영역(155)에 입사한 빛을 상측으로 출사시키는 광출사 영역(157), 반사식 광학계(150)의 둘레를 따라 환형으로 형성된 제 2 광입사 영역(156), 및 제 1 광입사 영역(155)과 제 2 광입사 영역(156) 사이에서 광축(OX)을 중심으로 반경 방향을 따라 배열된 다수의 반사면(151, 152, 153, 154)들을 포함할 수 있다. 여기서, 다수의 반사면(151, 152, 153, 154)들은 평판 형태를 갖는 투명 기판(158)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 제 2 반사면(152)과 제 4 반사면(154)은 투명 기판(158)의 제 1 표면에 배치되어 있고, 제 3 반사면(153)은 투명 기판(158)의 제 2 표면에 배치될 수 있다. 투명 기판(158)의 제 1 표면과 제 2 표면은 서로 평행하게 마주 보는 표면으로서, 제 1 표면과 제 2 표면의 법선 방향은 광축(OX)과 평행할 수 있다. 다만, 반사식 광학계(150)의 중심부에 배치된 제 1 광입사 영역(155)과 광출사 영역(157)은 곡면을 가질 수 있다. 또한, 제 1 광입사 영역(155)과 대향하는 제 1 반사면(151)은 빛이 제 2 반사면(152)을 향해 경사지게 진행하도록 경사지게 배치될 수 있다.
한편, 이미지 센서(140)는 적어도 2개의 독립적인 세그먼트로 분할될 수 있으며, 제 1 및 제 2 셔터(119, 129) 중에서 적어도 하나도 역시 독립적으로 구동되는 적어도 2개의 세그먼트로 분할될 수 있다. 예를 들어, 도 10a 내지 10d는 다양한 분할형 이미지 센서(140)의 구성을 예시적으로 도시하고 있으며, 도 11a 내지 도 12c는 제 1 및 제 2 셔터(119, 129)의 다양한 동작 예를 예시적으로 도시하고 있다.
먼저, 도 10a를 참조하면, 이미지 센서(140)는 좌우로 분할된 2개의 세그먼트(140a, 140b)를 포함할 수 있다. 각각의 세그먼트(140a, 140b)는 물리적으로 분할될 수도 있지만, 촬상 장치의 영상 신호 처리부에 의해 논리적으로 분할될 수도 있다. 예를 들어, 영상 신호 처리부는 2개의 세그먼트(140a, 140b)로부터 각각 생성된 신호들을 별개로 독립적으로 처리하여 2개의 영상을 생성하거나, 또는 선택적으로, 상기 신호들을 병합하여 처리하여 하나의 영상을 생성할 수도 있다. 또한, 도 10b와 같이, 이미지 센서(140)는 상하로 분할된 2개의 세그먼트(140a, 140b)를 포함할 수도 있다. 또는, 도 10c와 같이, 이미지 센서(140)는 상하 좌우로 분할된 4개의 세그먼트(140a, 140b, 140c, 140d)들을 포함할 수도 있다.
이미지 센서(140)가 다수의 세그먼트(140a, 140b, 140c, 140d)들로 분할된 경우에, 촬상 장치는 서로 다른 시차(parallax)를 갖는 스테레오 영상을 얻을 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(140)가 좌우로 분할된 경우에는 좌우 방향의 시차를 갖는 스테레오 영상을 얻을 수 있으며, 이미지 센서(140)가 상하로 분할된 경우에는 상하 방향의 시차를 갖는 스테레오 영상을 얻을 수 있고, 이미지 센서(140)가 상하 좌우로 분할된 경우에는 상하 및 좌우 방향을 시차를 갖는 스테레오 영상을 얻을 수 있다.
이러한 스테레오 영상을 얻고자 하는 경우에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 중심 부분의 제 1 셔터(119)를 닫고 주변부의 제 2 셔터(129)를 열어서, 반사식 광학계(120)를 사용할 수 있다. 이때, 촬상 장치의 영상 신호 처리부는 각각의 세그먼트(140a, 140b, 140c, 140d)들로부터 각각 생성된 신호들을 독립적으로 처리하여 다수의 영상을 생성할 수 있다. 반면, 일반적인 영상을 얻고자 하는 경우에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 셔터(119)를 열고 제 2 셔터(129)를 닫아서, 굴절식 광학계(110)를 사용할 수 있다. 이때, 촬상 장치의 영상 신호 처리부는 각각의 세그먼트(140a, 140b, 140c, 140d)들로부터 생성된 신호들을 병합하여 하나의 영상을 생성할 수도 있다.
또한, 제 1 셔터(119)와 제 2 셔터(129) 중 적어도 하나도 원주 방향을 따라 독립적으로 구동되는 적어도 2개의 세그먼트들로 분할될 수 있다. 예컨대, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 제 2 셔터(129)는 좌우로 2개의 세그먼트(129a, 129b)로 분할되거나, 또는 도 11c 및 도 11d에 도시된 바와 같이, 상하로 2개의 세그먼트(129a, 129b)로 분할될 수도 있다. 제 2 셔터(129)가 2개의 세그먼트(129a, 129b)로 분할된 경우, 중심 부분의 제 1 셔터(119)를 닫은 동안, 제 2 셔터(129)의 2개의 세그먼트(129a, 129b) 중에서 하나를 열고 다른 하나를 닫도록 동작할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 셔터(119)가 열린 동안에는, 제 2 셔터(129)의 2개의 세그먼트(129a, 129b)가 모두 닫힐 수 있다.
또한, 도 10d를 참조하면, 이미지 센서(140)는 5개의 세그먼트(140a, 140b, 140c, 140d, 140e)들로 분할될 수도 있다. 예를 들어, 이미지 센서(140)는 상하 좌우 및 중앙의 5개의 세그먼트(140a, 140b, 140c, 140d, 140e)들을 포함할 수 있다. 이 경우, 촬상 장치는 반사식 광학계(120)를 이용한 스테레오 영상과 굴절식 광학계(110)를 이용한 광각 영상을 한꺼번에 얻을 수 있다. 이를 위하여, 도 11e에 도시된 바와 같이, 제 1 셔터(119)와 제 2 셔터(129)가 모두 상하 방향으로 2개의 세그먼트(119a, 119b; 129a, 129b)들로 분할되어 있고, 제 1 셔터(119)의 2개의 세그먼트(119a, 119b)와 제 2 셔터(129)의 2개의 세그먼트(129a, 129b)가 서로 반대 방향으로 열릴 수 있다. 예를 들어, 제 1 셔터(119)의 상부 세그먼트(119a)와 제 2 셔터(129)의 하부 세그먼트(129b)가 동시에 열릴 수 있다. 또한, 제 1 셔터(119)의 하부 세그먼트(119b)와 제 2 셔터(129)의 상부 세그먼트(129a)가 동시에 열릴 수도 있다. 비록 도 11e에는 제 1 셔터(119)와 제 2 셔터(129)가 모두 상하 방향으로 분할된 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예는 이에 한정되는 것이 아니며 좌우 방향으로 분할될 수도 있다.
실시예1
도 1에 도시된 구조의 이중 초점 렌즈(100)를 실시예1로서 제작하였다. 도 12는 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈(100)의 굴절식 광학계(110)의 구체적인 광학 데이터를 나타내는 표이다. 도 12의 표에서, 표면 S0와 S1은 제 1 셔터(119)의 양측 표면을 나타낸다. 표면 S2 내지 표면 S12는 도 6에 표시되어 있다. 예를 들어, 표면 S2와 S3은 제 1 렌즈 소자(111)의 양측 표면을 나타내며, 표면 S4와 S5는 제 2 렌즈 소자(112)의 양측 표면을 나타내며, 표면 S6과 S7은 제 1 광입사 영역(125)과 광출사 영역(127)을 각각 나타내고, 표면 S8과 S9는 공통 렌즈 소자(130)의 양측 표면을 나타내며, 표면 S10과 S11은 커버층(141)의 양측 표면을 나타내고, 표면 S12는 이미지 센서(140)의 표면을 나타낸다.
도 12의 표에서 알 수 있듯이, 제 1 렌즈 소자(111)는 물체측이 오목하고 상측이 볼록한, 음(-)의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈이다. 제 2 렌즈 소자(112)는 양볼록 렌즈이다. 제 1 광입사 영역(125)과 광출사 영역(127)은 모두 오목한 표면을 갖는다. 그리고, 공통 렌즈 소자(130)는 물체측이 오목하고 상측이 볼록한, 음의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈이다.
한편, 표면 S2 내지 S9는 비구면이다. 도 13은 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈(100)의 굴절식 광학계(110)의 비구면에 대한 비구면 계수 값을 나타내는 표이다. 여기서, 비구면 계수는 다음의 수학식 1을 따를 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2015000368-appb-M000001
이러한 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈(100)의 굴절식 광학계(110)의 유효 초점 거리(EFL)는 5.967 mm이며, 입사동 직경(EPD)은 0.88 mm이고, F 수는 6.7이다.
또한, 도 14는 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈(100)의 반사식 광학계(120)의 구체적인 광학 데이터를 나타내는 표이다. 도 14의 표에서, 표면 S20과 S21은 제 2 셔터(129)의 양측 표면을 나타낸다. 표면 S22 내지 표면 S25 및 표면 S6 내지 표면 S12는 도 8에 표시되어 있다. 예를 들어, 표면 S22는 제 2 광입사 영역(126)을 나타내며, 표면 S23 내지 표면 S25는 제 1 내지 제 3 반사면(121, 122, 123)을 나타낸다. 표면 S6 내지 표면 S12는 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)에 공통적인 표면이다. 제 4 반사면(124)은 표면 S6에 형성되어 있다. 도 14에 표시되어 있듯이, 표면 S23 내지 표면 S25 및 표면 S6 내지 표면 S9는 비구면이다. 도 15는 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈(100)의 반사식 광학계(120)의 비구면에 대한 비구면 계수 값을 나타내는 표이다. 표면 S6 내지 표면 S9의 비구면 계수 값은 도 13에 이미 나타내었으므로 생략되었다.
한편, 도 14의 표에서 알 수 있듯이, 투명 기판(128)과 공통 렌즈 소자(130)는 이중 초점 렌즈(100)의 색수차를 억제하기 위하여 상이한 재료로 이루어질 수 있다. 도 14의 표에서 투명 기판(128)의 재료로는 PMMA를 사용하였으며, 공통 렌즈 소자(130)의 재료로는 굴절률이 1.744992이고 분산율이 42.404%인 유리를 사용하였다.
그리고, 도 16은 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈(100)의 반사식 광학계(120)의 제 2 광입사면(126)과 다수의 반사면(121, 122, 123)들의 유효 외경과 유효 내경의 크기를 나타내는 표이다. 도 16의 표에 표시되어 있는 유효 외경과 유효 내경은 광축(OX)으로부터의 거리에 의해 결정된다. 도 16의 표에 표시된 수치의 단위는 mm이다.
이러한 실시예1에 따른 이중 초점 렌즈(100)의 반사식 광학계(120)의 유효 초점 거리(EFL)는 27.65 mm이며, 입사동 직경(EPD)은 10.64 mm이고, F 수는 2.6이다.
실시예2
도 17은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)는 제 1 초점 거리를 갖는 굴절식 광학계(110), 제 1 초점 거리와 다른 제 2 초점 거리를 갖는 반사식 광학계(120), 및 3개의 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)를 포함한다. 실시예1과 비교할 때, 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)는 3개의 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)를 포함한다는 점에서 차이가 있으며, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)의 상면이 일치한다.
도 18은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 굴절식 광학계(110)의 구성을 보이는 단면도이며, 도 19는 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 굴절식 광학계(110)의 구체적인 광학 데이터를 나타내는 표이다. 도 19의 표에서, 표면 S0와 S1은 제 1 셔터(119)의 양측 표면을 나타낸다. 표면 S2 내지 표면 S15는 도 18에 표시되어 있다. 예를 들어, 표면 S2와 S3은 제 1 렌즈 소자(111)의 양측 표면을 나타내며, 표면 S4와 S5는 제 2 렌즈 소자(112)의 양측 표면을 나타내며, 표면 S6과 S7은 제 1 광입사 영역(125)과 광출사 영역(127)을 각각 나타내고, 표면 S8과 S9는 제 1 공통 렌즈 소자(131)의 양측 표면을 나타내며, 표면 S10과 S11은 제 2 공통 렌즈 소자(132)의 양측 표면을 나타내고, 표면 S12와 S13은 제 3 공통 렌즈 소자(133)의 양측 표면을 나타내며, 표면 S14와 S15는 커버층(141)의 양측 표면을 나타낸다.
도 19의 표에서 알 수 있듯이, 제 1 렌즈 소자(111)는 물체측이 볼록하고 상측이 오목한, 음(-)의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈이다. 제 2 렌즈 소자(112)는 양볼록 렌즈이다. 제 1 광입사 영역(125)과 광출사 영역(127)은 모두 오목한 표면을 갖는다. 제 1 공통 렌즈 소자(131)는 물체측이 오목하고 상측이 볼록한, 양의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈이다. 제 2 공통 렌즈 소자(132)는 물체측이 오목하고 상측이 볼록한, 양의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈이다. 또한, 제 3 공통 렌즈 소자(133)는 물체측이 오목하고 상측이 볼록한, 음의 굴절력을 갖는 메니스커스 렌즈이다.
한편, 표면 S2 내지 S13은 비구면이다. 도 20은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 굴절식 광학계(110)의 비구면에 대한 비구면 계수 값을 나타내는 표이다. 여기서, 비구면 계수는 상술한 수학식 1을 따를 수 있다.
이러한 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 굴절식 광학계(110)의 유효 초점 거리(EFL)는 8 mm이며, 입사동 직경(EPD)은 2.3 mm이고, F 수는 3.4이다.
또한, 도 21은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 반사식 광학계(120)의 구성을 보이는 단면도이며, 도 22는 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 반사식 광학계(120)의 구체적인 광학 데이터를 나타내는 표이다. 도 22의 표에서, 표면 S20과 S21은 제 2 셔터(129)의 양측 표면을 나타낸다. 표면 S22 내지 표면 S25 및 표면 S6 내지 표면 S15는 도 21에 표시되어 있다. 예를 들어, 표면 S22는 제 2 광입사 영역(126)을 나타내며, 표면 S23 내지 표면 S25는 각각 제 1 내지 제 3 반사면(121, 122, 123)을 나타낸다. 표면 S6 내지 표면 S15는 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120)에 공통적인 표면이다. 제 4 반사면(124)은 표면 S6에 형성되어 있다. 도 22에 표시되어 있듯이, 표면 S23 내지 표면 S25 및 표면 S6 내지 표면 S13은 비구면이다. 도 23은 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 반사식 광학계(120)의 비구면에 대한 비구면 계수 값을 나타내는 표이다. 표면 S6 내지 표면 S13의 비구면 계수 값은 도 20에 이미 나타내었으므로 생략되었다.
도 19 및 도 22의 표에서 알 수 있듯이, 제 1 및 제 2 굴절 렌즈 소자(111, 112), 투명 기판(128), 제 1 내지 제 3 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)들은, 이중 초점 렌즈(100)의 색수차를 억제하기 위하여 서로 다른 재료로 형성될 수 있다. 도 19 및 도 22에서 제 1 굴절 렌즈 소자(111)는 굴절률이 1.65이고 분산율이 33.44%인 유리 재료, 제 2 굴절 렌즈 소자(112)는 굴절률이 1.67이고 분산율이 52.27%인 유리 재료, 투명 기판(128)은 PMMA, 제 1 및 제 3 공통 렌즈 소자(131, 133)는 폴리카보네이트(PC), 제 2 공통 렌즈 소자(132)는 PMMA가 사용되었다. 그러나, 이는 단순한 예이고, 설계에 따라 다양한 재료들의 다른 조합을 사용할 수도 있다.
그리고, 도 24는 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 반사식 광학계(120)의 제 2 광입사면(126)과 다수의 반사면(121, 122, 123)들의 유효 외경과 유효 내경의 크기를 나타내는 표이다. 도 24의 표에 표시된 수치의 단위는 mm이다.
이러한 실시예2에 따른 이중 초점 렌즈(300)의 반사식 광학계(120)의 유효 초점 거리(EFL)는 25.2 mm이며, 입사동 직경(EPD)은 22 mm이고, F 수는 1.1이다.
한편, 일반적으로 촬상 장치는 어두운 곳에서의 촬영 또는 거리 측정 등을 위하여 조명광을 사용할 수 있는데, 이러한 조명광은 촬상 장치의 부피를 증가시키는 원인이 될 수 있다. 개시된 실시예들에 따른 이중 초점 렌즈(100, 200, 300)들의 경우, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120, 150) 사이에 여유 공간이 존재하므로, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120, 150) 사이의 공간에 광원을 배치하면 촬상 장치의 내부 공간을 절약할 수 있다.
예를 들어, 도 25는 또 다른 예에 따른 이중 초점 렌즈(300') 및 이를 포함하는 촬상 장치의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 25를 참조하면, 이중 초점 렌즈(300')는 광축(OX)에 수직한 방향을 따라 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120) 사이에서 굴절식 광학계(110)를 둘러싸는 공간에 배치된 광원(160)을 더 포함할 수 있다. 광원(160)은 예를 들어, 발광 다이오드(LED)를 사용할 수 있다. 이러한 광원(160)은 광축(OX)을 중심으로 배치된 링 형상의 선광원일 수도 있으며, 또는 굴절식 광학계(110)의 둘레를 따라 적어도 하나의 광원(160)들을 배치하는 것도 가능하다. 도 25에는 예시적으로 도 17에 도시된 이중 초점 렌즈(300)에 광원(160)을 배치한 구성을 도시하고 있으나, 도 1 또는 도 9에 도시된 이중 초점 렌즈(100, 200)의 굴절식 광학계(110)의 주변에도 상술한 광원(160)을 배치하는 것이 가능하다.
또한, 반사식 광학계(120)의 경우 초점 거리가 길게 구성되므로 손떨림에 민감할 수 있다. 따라서, 손떨림을 보상하기 위하여 반사식 광학계(120)와 이미지 센서(140) 사이에 배치된 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)들 중에서 적어도 하나를 광축(OX)에 수직한 방향으로 구동시키거나 또는 이미지 센서(140)를 광축(OX)에 수직한 방향으로 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 손떨림을 상쇄하는 방향으로 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)들 중에서 어느 하나 또는 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)들 전체를 광축(OX)에 수직한 방향으로 구동시키거나 이미지 센서(140)를 구동시킬 수 있다. 또한, 도 1 또는 도 9에 도시된 공통 렌즈 소자(130)도 역시 광축(OX)에 수직한 방향으로 구동되도록 구성될 수 있다.
또한, 물체의 위치가 바뀔 경우에(즉, 물체와 촬상 장치 사이의 거리가 바뀔 경우에), 초점을 조절하기 위하여 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)들 중에서 적어도 하나를 광축(OX) 방향으로 구동시키거나 또는 이미지 센서(140)를 광축(OX) 방향으로 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 물체가 이미지 센서(140)에 정확하게 결상되도록 하기 위하여, 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)들 중에서 어느 하나 또는 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)들 전체를 광축(OX) 방향으로 구동시키거나 이미지 센서(140)를 광축(OX) 방향으로 구동시킬 수 있다. 마찬가지로, 도 1 또는 도 9에 도시된 공통 렌즈 소자(130)도 역시 광축(OX) 방향으로 구동되도록 구성될 수 있다.
공통 렌즈 소자(130, 131, 132, 133) 또는 이미지 센서(140)를 광축(OX) 방향 또는 광축(OX)에 수직한 방향으로 이동시키는 메커니즘을 일체화하는 것도 가능하다. 즉, 공통 렌즈 소자(130, 131, 132, 133) 또는 이미지 센서(140)는 광축(OX) 방향과 광축(OX)에 수직한 방향으로 모두 이동 가능하도록 구성될 수도 있다.
지금까지 이중 초점 렌즈(100, 200, 300, 300')의 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120, 150)가 고정된 배율을 갖는 것으로 설명하였다. 그러나, 설계에 따라서는 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120, 150) 중에서 어느 하나 또는 모두가 가변 배율의 줌 기능을 갖도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 굴절식 광학계(110)의 경우, 렌즈 소자(111, 112)가 줌 기능을 수행할 수 있도록 설계될 수 있으며, 또는 공통 렌즈 소자(130, 131, 132, 133)와 굴절식 광학계(110)의 렌즈 소자(111, 112)가 함께 줌 기능을 수행할 수 있도록 설계될 수 있다. 또한, 굴절식 광학계(110)는 줌 기능을 위하여 2개의 렌즈 소자(111, 112) 외에 추가적인 렌즈 소자를 더 포함할 수도 있다.
도 1 및 도 17에 도시된 반사식 광학계(120)의 경우, 반사면(121, 122, 123, 124)들 사이의 거리를 변화시키도록 구성하거나, 또는 반사면(121, 122, 123, 124)들의 거리 변화와 함께 공통 렌즈 소자(131, 132, 133)들이 줌 기능을 수행할 수 있도록 설계할 수 있다. 도 9에 도시된 반사식 광학계(150)의 경우, 반사면(151, 152, 153, 154)들 중에서 적어도 하나는 변형 가능 미러(deformable mirror)로 구성될 수 있다. 변형 가능 미러는 초점 거리가 변화하도록 가변의 곡률을 갖는 미러로서, 기계적 또는 전기적 조작에 의해 임의의 형태로 변형될 수 있다. 예를 들어, 변형 가능 미러는 가요성 부재로 이루어진 가요성 반사면 및 상기 가요성 반사면을 국소적으로 밀거나 당겨 변형시키도록 2차원 배열된 다수의 미세한 전기적 또는 기계적 액추에이터들을 포함할 수 있다. 또한, 도 1 및 도 17에 도시된 반사식 광학계(120)의 반사면(121, 122, 123, 124)들도 변형 가능 미러로 구성될 수 있다.
또한, 이중 초점 렌즈(100, 200, 300, 300')의 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120, 150)로부터 각각 얻은 2개의 영상을 이용하여 디지털 줌 기능을 구현할 수도 있다. 즉, 촬상 장치의 영상 신호 처리부(도시되지 않음)를 통해 굴절식 광학계(110)의 광각단과 반사식 광학계(120, 150)의 망원단 사이의 배율을 디지털 줌으로 확보한다면 광각단부터 망원단까지 연속적인 줌 효과를 얻을 수도 있다. 도 26 및 도 27은 이중 초점 렌즈(100, 200, 300, 300')의 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120, 150)로부터 각각 얻은 2개의 영상을 이용하여 디지털 줌 기능을 구현하는 원리를 개략적으로 설명하는 개념도이다.
도 26을 참조하면, 굴절식 광학계(110)는 예시적으로 1배 줌의 영상(11)을 형성하고 반사식 광학계(120, 150)는 예시적으로 5배 줌의 영상(15)을 형성한다고 가정한다. 여기서, 굴절식 광학계(110)로부터 얻은 1배 줌 영상(11)의 중심 부분을 크롭하여 디지털적으로 확대함으로써 2배 줌 영상(12)을 획득할 수 있다. 1배 줌 영상(11)의 중심 부분을 단순히 확대하는 경우에는, 획득된 2배 줌 영상(12)의 영상 품질이 전체적으로 열화될 수 있다. 따라서, 반사식 광학계(120, 150)로부터 얻은 5배 줌 영상(15)을 축소시키고, 2배 줌 영상(12)의 중심 부분의 대응하는 화각 영역을 상기 축소된 5배 줌 영상(15)으로 대체할 수 있다. 결과적으로, 2배 줌 영상(12)의 중심 부분(12a)은 5배 줌 영상(15)을 축소하여 얻고 주변 부분(12b)은 1배 줌 영상(11)을 확대하여 얻을 수 있다. 그러면, 2배 줌 영상(12)의 적어도 중심 부분(12a)은 영상 품질의 열화가 없기 때문에, 본 실시예에 따르면, 영상 품질의 열화를 최소화하면서 디지털 줌 기능을 구현할 수 있다.
이러한 방식으로, 도 27에 도시된 바와 같이, 굴절식 광학계(110)로부터 얻은 1배 줌 영상(11)의 중심 부분을 크롭하여 확대한 영상과, 반사식 광학계(120, 150)로부터 얻은 5배 줌 영상(15)을 축소한 영상을 결합함으로써 3배 줌 영상(13)이나 4배 줌 영상(14)을 얻을 수도 있다. 또한, 2배 줌, 3배 줌, 4배 줌과 같은 정수배 줌뿐만 아니라 임의의 어떠한 배율의 줌 영상도 형성하는 것이 가능하다. 또한, 5배 줌 영상(15)의 중심부를 크롭하여 확대함으로써 5배 줌 이상의 영상도 얻을 수 있다. 일반적인 촬상 장치에서 디지털 줌으로 얻은 10배 줌 영상은 영상 품질이 매우 저하되지만, 본 실시예에 따르면 5배 줌 영상(15)을 확대하기 때문에 10배 줌 영상의 품질이 크게 저하되지 않을 수 있다. 또한, 5배 줌 영상(15)의 화각에 대응하는 1배 줌 영상(11)의 중심 부분을 5배 줌 영상(15)으로 대체하거나 또는 5배 줌 영상(15)을 참조하여 영상을 보정함으로써 1배 줌 영상(11)의 전체적인 선명도를 향상시킬 수도 있다.
한편, 1배 줌 영상(11)과 5배 줌 영상(15)을 합성하는 경우에 몇 가지 고려할 사항이 있다. 예를 들어, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120, 150)는 다양한 수차들 및 밝기와 같은 광학적 특성이 서로 다르기 때문에, 1배 줌 영상(11)과 5배 줌 영상(15)은 왜곡의 정도, 수차, 밝기가 서로 다를 수 있다. 따라서, 합성된 영상의 중심 부분과 주변 부분은 왜곡의 정도, 수차, 밝기가 서로 다를 수 있다. 또한, 1배 줌 영상(11)을 확대하고 5배 줌 영상(15)을 축소시키기 때문에 합성된 영상의 중심 부분과 주변 부분의 해상도가 서로 달라지게 된다. 따라서, 합성된 영상의 중심 부분에서 주변 부분으로 영상이 자연스럽게 연결되도록 영상 처리를 수행할 수 있다.
이를 위하여, 굴절식 광학계(110)와 반사식 광학계(120, 150)의 광학적 특성으로부터 주어진, 1배 줌 영상(11)과 5배 줌 영상(15)의 왜곡 정도, 수차, 밝기 및 해상도 등에 대한 정보를 기초로, 합성하고자 하는 영상의 중심 부분과 주변 부분이 매끄럽게 연결되도록 보간법 등을 이용하여 영상을 조정할 수 있다. 예를 들어, 1배 줌 영상(11)과 5배 줌 영상(15)으로 2배 줌 영상(12)을 합성하고자 하는 경우, 먼저 1배 줌 영상(11)의 중심부로부터 주변부까지의 연속적인 밝기 비율을 계산하고 5배 줌 영상(15)의 중심부로부터 주변부까지의 연속적인 밝기 비율을 계산한다. 그런 후, 1배 줌 영상(11)과 5배 줌 영상(15)에 대한 상기 2개의 연속적인 밝기 비율을 참조하여 2배 줌 영상(12)의 중심부로부터 주변부까지의 적절한 연속적인 밝기 비율을 결정한다. 그리고, 2배 줌 영상(12)을 합성할 때, 2배 줌 영상(12)의 중심부에 위치하게 될 축소된 5배 줌 영상(15)의 밝기와 주변부에 위치하게 될 크롭 및 확대된 1배 줌 영상(11)의 밝기가 상기 결정된 연속적인 밝기 비율을 따르도록 영상 처리를 수행할 수 있다. 합성하고자 하는 영상의 왜곡 정도, 수차 및 해상도에 대해서도 이와 유사한 방식으로 영상 처리를 수행할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 굴절 렌즈 소자를 구비하며 제 1 초점 거리를 갖는 굴절식 광학계; 및
    다수의 반사면을 구비하며 제 1 초점 거리와 다른 제 2 초점 거리를 갖는 반사식 광학계;를 포함하며,
    상기 굴절식 광학계는 제 1 상면을 가지며 상기 반사식 광학계는 제 2 상면을 갖고, 상기 굴절식 광학계와 반사식 광학계는 모두 상기 제 1 및 제 2 상면에 대해 물체측에 배치되며,
    상기 굴절식 광학계와 반사식 광학계는 하나의 공통 광축을 중심으로 배치되어 있는 이중 초점 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절식 광학계는 물체측에 배치되며 상기 반사식 광학계는 상측에 배치되고, 상기 반사식 광학계의 중심부는 상기 굴절식 광학계로부터 나온 빛이 입사하는 제 1 광입사 영역 및 상기 제 1 광입사 영역에 입사한 빛을 상측으로 출사시키는 광출사 영역을 포함하는 이중 초점 렌즈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 굴절식 광학계와 반사식 광학계에 대해 상측에 배치되며, 상기 굴절식 광학계로부터 나온 빛을 제 1 상면 상에 포커싱하고 상기 반사식 광학계로부터 나온 빛을 제 2 상면 상에 포커싱하는 적어도 하나의 공통 렌즈 소자를 더 포함하는 이중 초점 렌즈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공통 렌즈 소자는 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향으로 이동 가능하도록 구성되는 이중 초점 렌즈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 상면과 상기 제 2 상면의 광축 상의 위치가 서로 동일한 이중 초점 렌즈.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 상면과 상기 제 2 상면의 광축 상의 위치가 서로 다른 이중 초점 렌즈.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 반사식 광학계는 상기 다수의 반사면들 사이에서 빛의 진행 경로가 다수 회 절곡되는 접이식 구조를 가지며, 상기 반사식 광학계의 둘레를 따라 환형으로 형성된 제 2 광입사 영역을 포함하고,
    상기 다수의 반사면들은 상기 제 2 광입사 영역을 통해 입사한 빛을 상기 광출사 영역으로 출사시키도록 광학적으로 서로 마주하여 배치되어 있으며,
    상기 다수의 반사면들은 광축을 중심으로 하는 환형의 형태를 가지며, 상기 제 2 광입사 영역을 통해 입사한 빛의 진행 방향을 따라 상기 다수의 반사면들의 광축으로부터의 반경이 점차 작아지는 이중 초점 렌즈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 광입사 영역에 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키고 다른 파장 대역의 빛을 차단하는 제 1 코팅층; 및
    상기 다수의 반사면들 중 적어도 하나의 반사면에 배치된 것으로, 상기 제 1 파장 대역과 다른 제 2 파장 대역의 빛을 반사하고 다른 파장 대역의 빛을 흡수 또는 투과시키는 제 2 코팅층;을 더 포함하는 이중 초점 렌즈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 다수의 반사면들이 고정되어 있는 투명 기판을 더 포함하며,
    상기 제 1 광입사 영역, 제 2 광입사 영역 및 광출사 영역은 상기 투명 기판의 표면 상에 형성되어 있고,
    상기 제 1 광입사 영역 및 광출사 영역에 대응하는 상기 투명 기판의 표면 영역이 곡면인 이중 초점 렌즈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절식 광학계를 향해 입사하는 빛을 투과 또는 차단하는 제 1 셔터 및 상기 반사식 광학계에 입사하는 빛을 투과 또는 차단하는 제 2 셔터를 더 포함하는 이중 초점 렌즈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 셔터와 제 2 셔터는 선택적으로 어느 하나가 빛을 투과시키고 다른 하나가 빛을 차단하도록 구성되어 있으며,
    상기 제 1 셔터와 제 2 셔터 중 적어도 하나는 원주 방향을 따라 독립적으로 구동되는 적어도 2개의 세그먼트로 분할되어 있는 이중 초점 렌즈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절식 광학계를 둘러싸는 공간에 배치된 적어도 하나의 광원을 더 포함하는 이중 초점 렌즈.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 이중 초점 렌즈; 및
    상기 이중 초점 렌즈의 상측에 배치된 이미지 센서;를 포함하는 촬상 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 광축 방향 또는 광축에 수직한 방향으로 이동 가능하도록 구성되며, 상기 굴절식 광학계로 촬영하는 동안 제 1 상면으로 이동하고 상기 반사식 광학계로 촬영하는 동안 제 2 상면으로 이동하도록 구성되는 촬상 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 굴절식 광학계는 제 1 배율로 제 1 영상을 생성하도록 구성되며, 상기 반사식 광학계는 제 1 배율보다 큰 배율 제 2 배율로 제 2 영상을 생성하도록 구성되며, 상기 제 1 영상을 크롭 및 확대하고 상기 제 2 영상을 축소시키는 방식으로 상기 제 1 영상과 제 2 영상을 합성함으로써, 제 1 배율과 제 2 배율 사이의 배율을 갖는 제 3 영상을 생성하도록 구성된 촬상 장치.
PCT/KR2015/000368 2014-01-14 2015-01-14 이중 초점 렌즈 및 이를 포함하는 촬상 장치 WO2015108327A1 (ko)

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